考慮不同固定條件的核電設備多維地震響應振動臺試驗研究

徐衛鋒，李彬彬，2，劉 博，王社良，李一凡，賈亮衛，趙青云

（1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學結構工程與抗震教育部重點實驗室，陜西 西安 710055；3.中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016）

引言

地震作為一種極具破壞性且難以預測的自然災害，若對核電站造成破壞并導致放射性物質泄露，后果不堪設想，因此保證核電站重要結構及設備在地震作用下的安全運行，具有特殊的重要性。對于核電站重要結構及設備的設計必須滿足相關抗震設計規范外，振動臺試驗技術作為一種目前廣泛應用于模擬地震的試驗方法，被相關規范作為重要核電設備鑒定流程中必須執行的一個環節［1－5］。

關于核電設備的振動臺試驗已有不少的研究，洪峰等［6］對IS 型單級單吸清水離心泵進行了動力特性測試和振動臺試驗；SUNG 等［7］對核電站機柜進行振動臺試驗，觀察到隨著激振水平的增加，柜體的動剛度減小，并建立了核電站機柜非線性地震反應分析的簡化模型；施衛星等［8］、劉凱燕等［9］和王梁坤等［10］分別對核電廠循環風機、消氫風機、1E級應急柴油發電機油泵和出線盒進行了振動臺試驗研究，試驗包括首末兩次白噪聲掃頻和5 次運行基準地震（Operating Basis Earthquake，OBE）以及1 次安全停堆地震（Safe Shutdown Earthquake，SSE），討論了試驗輸入人工地震動的要求，且試驗的設備均通過抗震考核試驗，抗震性能良好；高永武等［11］對某核級一次水事故泵進行5 次OBE 和1 次SSE 三維人造地震動輸入振動臺試驗，試驗前后設備的完整性及功能的可運行性表現正常，抗震性能良好。

目前核電設備振動臺試驗研究，基本都是將核電設備與振動臺臺面剛性連接，而現實中存在核電設備通過專用膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻上，兩者動力相互作用更為復雜，設備的地震響應難以預測，但考慮不同現實固定條件的核電設備振動臺試驗研究基本沒有。因此，研究考慮不同固定條件的核電設備多維地震響應，對核電設備抗震設計以及核電站安全運行有著重要意義。

本文振動臺試驗為模擬核電設備在真實環境下不同的固定條件：一種將設備直接與振動臺相連；另一種采用核電站中專用的膨脹螺栓將核電設備懸掛固定于剪力墻，剪力墻再與振動臺螺栓連接，共進行5 次OBE 和1 次SSE 工況下動力時程激振，以及試驗首末的2 次動力特性測試，分析不同固定條件的核電設備在各試驗工況下的多維地震響應，比較試驗前后設備的損傷情況，并對試驗的核電設備抗震性能進行評價。

1 試驗設備及對象

1.1 試驗設備

試驗采用西安建筑科技大學結構工程與抗震教育部重點實驗室的MTS 三維六自由度地震模擬振動臺試驗系統。該振動臺臺面尺寸4.1 m×4.1 m，滿負荷下最大試件重量30 t，試驗頻率0.1～100 Hz；最大位移為水平X 向±15 cm、水平Y 向±25 cm 和豎向±10 cm；最大加速度（空載）為水平X 向4.0 g、水平Y 向3.8 g和豎向Z 向6.0 g。數據采集采用LMS Test Lab 智能動態信號采集分析儀，通道數為128，加速度傳感器使用PCB 型加速度傳感器，其頻響為0.5～100 Hz。

1.2 試驗對象及安裝

試驗的兩臺核電設備樣機為核電站某型號的原型配電箱：1 號配電箱通過剛性過渡板用M25 的螺栓和振動臺連接，模擬核電設備與核電站墻體剛性連接；2 號配電箱通過核電專用膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻上，剪力墻再通過預留孔洞與振動臺螺栓連接，模擬現實環境下設備懸掛于核電站結構墻體的情況。兩臺核電設備與主體結構的固定條件不同：1 號配電箱的固定條件可視為設備與主體結構剛性連接；2 號配電箱的固定條件可視為設備與主體結構非剛性連接。試驗中與設備相連的支承結構是混凝土等級為C40，主筋為HRB400，箍筋為HPB235的剪力墻。試驗對象安裝和固定后如圖1所示。

圖1 安裝及固定后的試驗對象Fig.1 Test object after installation and fixation

1.3 測點布置及坐標軸規定

根據規范及試驗大綱對核電設備抗震試驗的要求和試驗方法［1－3］，在振動臺臺面和樣機上共布置了3 個加速度測點分別記為A1、A2 和A3，其中：A1 測點布置在振動臺的臺面上，主要測試臺面的地震輸入情況；A2 測點布置在1 號配電箱并且A3 測點布置在2 號配電箱，這兩個加速度測點布置在樣機地震反應的關鍵部位，高度基本相同，主要測試樣機的地震反應情況。3個測點均包含有X、Y 和Z三個方向分量，故共布置了9個PCB 型加速度傳感器。具體測點位置以及坐標軸規定，如圖2所示。

圖2 加速度測點布置及坐標軸示意圖Fig.2 Layout of acceleration measuring points and schematic diagram of coordinate axis

2 試驗方法和步驟

2.1 試驗對象動力特性測定

振動臺試驗首先對試驗設備進行第一次動力特性測試，隨后進行5次OBE 和1次SSE 抗震考核試驗，最后再進行第二次動力特性測試，其中：動力特性測試試驗采用頻率范圍為0.5～100 Hz、加速度幅值為0.2 g的白噪聲隨機波，并且在設備的X、Y和Z三個方向同時進行激勵，以測定試驗對象的動力特性。

2.2 抗震性能考核試驗

在抗震性能考核試驗中：試驗輸入的地震波是根據設計方提供的樓層反應譜，先作出需求反應譜RRS（Required Response Spectrum，RRS），再進行轉化計算生成人工地震波，將該人工地震波作為振動臺輸入信號進行抗震試驗。根據試驗大綱及相關標準的規定，生成的試驗人工地震波響應譜TRS（Test Response Spectrum）應包絡需求譜RRS。振動臺試驗研究不同固定條件的核電設備多維地震響應情況，故在X、Y 和Z 三正交軸方向同時輸入人工地震波進行激勵振動，為確保輸入人工地震波的相互獨立，其相干函數的平均值應小于0.5，相關函數的絕對值小于0.3［3］。人工地震波的阻尼比取5%，該次試驗OBE 工況的譜值為SSE工況的80%。SSE工況輸入的人工地震波時程曲線、加速度反應譜和相關函數圖，如圖3所示。

圖3 SSE抗震試驗的人工地震波（時程曲線、反應譜和相關函數圖）Fig.3 Artificial earthquake wave under seismic tests of SSE（time-history curve、response spectrum and correlation function diagram）

在該次抗震性能考核試驗中：試驗輸入的人工地震波強震持續時間30 s，人工地震波的響應譜TRS能較好包絡需求反應譜RRS，滿足規范要求。輸入的三向人工地震波，兩兩之間相關函數的絕對值均小于0.2，滿足規范絕對值小于0.3的要求。

2.3 功能監測與目視檢查

在抗震性能考核試驗過程中：需要對配電箱工作狀態進行監測，監測系統及部件的功能運行是否正常。在抗震性能考核試驗過程中及試驗后，還需目視檢查被試設備結構的完整性；結構件不應有裂紋；螺栓、螺母不應有松動和脫落；電氣部件不應有松動等不正?，F象。

3 試驗結果

3.1 設備與結構的動力特性

在X、Y 和Z 三正交軸方向采用白噪聲波進行激勵，測得設備的自振頻率和阻尼比。以A3 測點X 方向第一次白噪聲工況為例，利用Matlab 計算傳遞函數，得到幅頻曲線及相頻曲線，如圖4 所示，然后通過半功率法計算阻尼比［12－13］。該次試驗設備的自振頻率和阻尼比，見表1。

圖4 A3測點X方向的幅頻和相頻曲線Fig.4 Amplitude frequency and phase frequency curves of A3 measuring point in the X direction

在抗震試驗結束后，進行第二次白噪聲波激勵，根據數據計算結果，發現與表1的數值差別不大，可認為試驗前后核電設備基本無損傷。

表1 設備的自振頻率和阻尼比Table 1 Natural frequencies and damping ratios of equipment along three directions

3.2 動力響應

由于篇幅限制，僅給出SSE工況下A3測點三個方向的加速度響應時程曲線，如圖5 所示。通過加速度時程曲線，獲得各測點在5 次OBE 和1 次SSE 工況下的加速度峰值見表2。

圖5 SSE工況下A3測點響應時程曲線Fig.5 Time history responses of A3 measuring point along three directions under SSE

表2 各測點加速度峰值Table 1 Maximum accelerations of measuring points

從表中可知：設備在5次OBE 工況的加速度峰值基本接近，而SSE 工況下的峰值均大于OBE 工況，且最大值為2號配電箱Y 方向峰值3.10 g，地震響應強烈。固定于臺面的1號配電箱各工況各方向的峰值均與振動臺臺面峰值接近，表明兩者的動力響應基本一致，該種固定條件沒有放大加速度峰值；而2 號配電箱的加速度峰值均遠大于各工況各方向下臺面的加速度峰值，說明通過膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻再與振動臺連接的固定條件，放大了加速度峰值。2號配電箱與1號配電箱直接相比，加速度峰值也顯著增大。試驗結果表明：不同固定條件的核電設備在地震作用時將呈現不同的多維地震響應，且懸掛固定于支撐結構再與臺面相連的核電設備多維地震響應將更為強烈。

3.3 反應譜特性和動力放大系數

以SSE 工況為例，計算得到設備三方向的加速度反應譜，如圖6 所示。從圖中可知：在三個方向上，A2測點與A1 測點的譜峰值及譜形狀都基本一致，表明1 號配電箱與臺面輸入地震波的譜特性基本相同，該種固定條件沒有改變譜特性。然而，A3測點與A1測點的三方向譜形狀差異較大，A3測點譜峰值遠大于A1測點，且譜峰值有明顯的滯后現象，表明2號配電箱通過膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻再與振動臺連接的固定條件，改變了部分譜特性，原因可能是輸入的地震波部分頻譜特性通過剪力墻及膨脹螺栓傳遞到核電設備時已經發生改變，產生了峰值放大以及峰值滯后的現象。試驗結果表明：核電設備的不同固定條件會影響其反應譜特性，且與臺面輸入地震波的反應譜可能相似也可能存在較大差異，如果將振動臺類比為某一核電站主體結構，則核電設備的譜特性是否與樓層反應譜一致取決于設備的固定條件能否真正實現設備與主體結構的剛性連接。

圖6 SSE工況下各測點加速度反應譜Fig.6 Response spectrum of measuring points under SSE

定義動力放大系數為設備的絕對加速度最大值除以臺面輸入地震波的加速度峰值，得到設備各工況下的動力放大系數并進行比較，如圖7 所示。從圖中可知：A2 測點三個方向的動力放大系數均為1 左右，表明1號配電箱幾乎與振動臺作剛體平動，該種設備固定條件無放大效應；A3測點在所有試驗工況下X方向和Y方向的動力放大系數數值在2 左右波動，Z 方向在1.4 左右波動，表明通過膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻再與振動臺連接的固定條件，具有顯著的動力放大效應，致使核電設備在地震作用時承受更大的地震作用力，因此，對此類固定條件的核電設備，在產品設計及固定時要充分考慮放大效應，以提高設備的抗震韌性。

圖7 各測點在OBE和SSE工況下動力放大系數Fig.7 Dynamic amplification factor of measuring point under OBE and SSE

3.4 其他指標

通過功能監測，發現設備在試驗過程中及結束，工作狀態正常，各項功能指標沒有變化。通過檢查發現：1號配電箱與與臺面連接的螺栓、螺母無松動、脫落，2號配電箱與剪力墻連接處的膨脹螺栓沒有松動，周圍無裂縫。設備及結構均無裂紋，也沒有任何損傷及變形，結構完整性好。

4 結論

本文研究考慮不同固定條件的核電設備多維地震響應：一種將設備直接與振動臺相連；另一種采用核電站中專用的膨脹螺栓將核電設備懸掛固定于剪力墻，剪力墻再與振動臺螺栓連接，進行了試驗首末兩次動力特性測試，以及5次OBE和1次SSE抗震試驗，得到以下結論：

（1）通過動力特性測試，得到核電設備自振頻率和阻尼比等動力特性。比較試驗首末兩次動力特性測試結果，發現動力特性基本沒有改變，認為核電設備基本無損傷。

（2）對5 次OBE 和1 次SSE 工況下核電設備的動力響應分析，結果表明：不同固定條件的核電設備在地震作用時將呈現不同的多維地震響應，且懸掛固定于支撐結構再與振動臺相連的固定條件，放大了核電設備地震響應的加速度峰值，地震作用時此類固定條件將使核電設備多維地震響應更為強烈。

（3）通過反應譜特性和動力放大系數分析，試驗中將設備與振動臺剛接的固定條件，沒有改變反應譜特性，而通過膨脹螺栓懸掛于剪力墻再與振動臺連接的固定條件，致使譜特性發生譜峰值增大和滯后，譜形狀改變，表明不同固定條件會影響核電設備反應譜特性；試驗中與振動臺剛接的固定條件，動力放大系數基本為1，并未使核電設備產生動力放大效應，而通過膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻再與振動臺連接的固定條件，具有顯著的動力放大效應，致使核電設備在地震作用時將承受更大的地震作用力，因此，對此類固定條件的核電設備，在產品設計及固定時要充分考慮放大效應，以提高設備的抗震韌性。

（4）抗震試驗前后，核電設備功能運行正常，螺栓、螺母無松動和脫落，連接處的膨脹螺栓沒有松動，周圍無裂縫。核電設備結構完整性好，抗震性能滿足要求，且兩種核電設備固定條件均通過抗震考核。