電機設備三維隔震試驗研究

聶桂波，徐衛丹，馬加路，等.2024.電機設備三維隔震試驗研究［J］.地震研究，47（1）：156-162，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0005.

Nie G B，Xu W D，Ma J L，et al.2024.Three-dimensional isolation test of the motor equipment［J］.Journal of Seismological Research，47（1）：156-162，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0005.

摘要：針對核電設備設計研制了三維隔震支座，以核電設備常用的電機為例，對其三維隔震性能開展了振動臺試驗研究，獲得了電機設備典型部位的隔震動力響應，通過對比振動臺臺面數據與設備測點位置的數據來驗證隔震支座的隔震效果。結果表明：隨著輸入地震動峰值增大，隔震支座的隔震效率差別微小，隔震效果比較穩定，說明隔震支座對電機設備起到了良好的隔震作用。

關鍵詞：電機設備；隔震支座；振動臺試驗；隔震效率

中圖分類號：TU352.1"""文獻標識碼：A"""文章編號：1000-0666（2024）01-0156-07

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0005

0"引言

我國是一個地震多發的國家，地震的發生可能對電力設備造成危害。為了提高電力設備的抗震能力，國內外學者對電力設備減隔震技術開展了大量的研究。傳統的減隔震裝置制造工藝成熟，造價較低且無需更換已使用的設備，提高設備抗震能力切實可行。20世紀80年代，我國開始了電力設施方面的抗震研究工作，并于1989年完成了《電力設施抗震設計規范》（送審稿），1993年發布了《電氣設施抗震鑒定技術標準》（SY 4063—93），對電氣設施抗震計算方法及抗震鑒定的有關內容、條款作了具體的說明和規定，這是國內正式頒布的第一個有關電氣設施抗震工作的標準。2013年頒布的《電力設施抗震設計規范》（GB 50260—2013），增加了電氣設備的隔震與消能減震設計，吸取了2008年四川汶川8.0級大地震電力設施及電力設備受損情況的經驗教訓，適當提高了電力設施的抗震設計標準。

電力設施經抗震設防后，可減輕其地震破壞，避免人員傷亡，減少經濟損失。但目前以疊層橡膠支座為代表的隔震支座，僅能減小設備遭受的水平地震作用，無法減小豎向地震作用，甚至還存在一定的放大現象。王濤等（2014）通過振動臺試驗驗證了這一情況，并通過水平隔震與三維隔震的試驗結果進行對比，證實三維隔震可以對設備進行豎向隔震；魏陸順等（2007）也通過振動臺試驗驗證了三維隔震支座可以有效減小豎向作用；胡珍秀（2020）以電氣設備為主要對象對其電力設施的震損情況進行了分析；滕艷玲（2010）詳細介紹了三相異步電動機的抗震鑒定并進行了抗震試驗；尤紅兵等（2012）對電氣設備抗震性能檢測試驗中地震動的輸入進行了研究，并給出了輸入時程；劉中華（2008）對核級風機設備進行抗震試驗、建立有限元模型，并將試驗結果與有限元模型分析計算結果進行對比，獲得了風機設備的抗震性能；寧曉晴（2014）采用了兩種隔震方案對某一型號風機設備進行隔震研究；程永鋒等（2008）闡述了減隔震技術在電氣設備上的應用前景；郭永基（2001）研究了電力系統和電力設備的可靠性，并對電力系統進行可靠性評估；姚堃和錢江（2017）研究了鉛芯疊層橡膠支座對電氣設備的隔震效果。

本文設計并研制了能夠同步減小設備水平向和豎向地震響應的三維隔震支座，以某型號電機為例，對其三維隔震性能開展了地震模擬振動臺試驗，獲得電機設備典型部位的動力響應，驗證了隔震支座的隔震效果。

1"三維隔震支座

本文的三維隔震支座由水平隔震裝置、豎向隔震裝置和底板組成，具體材料包括彈簧、滑塊、鋼管、螺栓、橡膠墊（圖1），橫向和豎向彈簧的彈性模量E_m均為7.9×10⁴ N/mm²，鋼管采用Q345鋼，隔震支座詳細的材料尺寸見表1。

該三維隔震支座在地震作用下主要通過彈簧的變形延長上部設備的自振周期，避開地震動的卓越周期，減輕地震破壞，從而實現隔震效果。彈簧的阻尼較小，可以忽略不計，因此未考慮隔震支座阻尼的影響。

2"試驗概況

2.1"地震模擬振動臺

試驗使用中國地震局工程力學研究所的地震模擬振動臺，振動臺具有三向六自由度加載能力，臺面尺寸為5 000 mm×5 000 mm，可承受最大豎向載荷為30 t，滿載時X、Y方向最大加速度為1.0 g，Z方向為0.7 g，詳細技術指標見表2。

2.2"試驗設計

為了考察設備安裝三維隔震支座后的隔震性能，振動臺試驗選用了某核電廠某型號電機，電機設備與均勻鋼板、均勻鋼板與隔震支座均采用螺栓連接，試驗模型如圖2所示。為了模擬設備剛性地面，試驗采用了厚度為20 mm的均勻鋼板作為設備與隔震支座的連接層。均勻鋼板的尺寸為2 500 mm×1 000 mm；電機主體部分為一個直徑為600 mm、長度為1 100 mm的圓柱體和一端的端部伸出直徑為80 mm、長度為170 mm的小圓柱體。

2.3"測點布置

試驗中分別測量了試驗設備的振動臺臺面（測點1）、均勻鋼板（測點2）、電機頂部（測點3）3個方向加速度A₁、A₂、A₃；還分別測量了振動臺臺面、均勻鋼板、電機頂部的水平位移D₁、D₂、D₃。通過試驗設備典型部位的動力響應就可以獲得隔震支座的隔震效率。

2.4"輸入地震動

試驗中輸入的地震動為2013年在四川省蘆山縣飛仙臺站記錄到的地震動（LSF波）和人工合成地震動（RG波）的加速度時程曲線（圖4），并采用三向輸入。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）相關要求，對X、Y、Z 3個方向的地震動加速度幅值進行調幅，以滿足3個方向加速度幅值比為1∶0.85∶0.65的測試要求。試驗中模型輸入的地震動最大加載到0.62 g，其中，EW方向為X方向，NS方向為Y方向，UD方向為Z方向。由圖5a可知，X、Y、Z方向的主要頻率分別為1.70 Hz、1.87 Hz、2.33 Hz。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）對Ⅶ度設防設備相關要求，選擇Ⅶ度多遇地震對應的設防加速度幅值為0.035 g開始加載，然后以0.1 g為增幅逐級加載至Ⅸ度罕遇地震對應的加速度幅值0.62 g，振動臺試驗加載工況見表3。

3"試驗結果及分析

3.1"電機設備自振特性

為了獲得電機設備的自振頻率，在對試驗模型進行地震動加載前，首先用一組加速度峰值為50 cm/s²的白噪聲進行掃頻，然后對白噪聲加載獲得電機設備的加速度響應進行快速傅立葉變換，獲得其對應的頻譜信息（圖5b），頻譜峰值對應的頻率即為試驗模型的自振頻率。由圖5b可知，電機設備的X、Y、Z方向的自振頻率分別為4.64、14和6.76 Hz。

3.2"試驗結果分析

由表3可見，人工合成地震動與飛仙臺記錄地震動的隔震效果非常相似，工況4、6、8的地震動強度不斷增大，其加速度值比較有代表性，又都是人工合成地震動，故本文僅選用工況4、6、8的試驗結果數據。為了直觀地比較三維隔震支座的隔震效果，對振動臺臺面（測點1）與均勻鋼板（測點2）在工況4、6、8下的X、Y、Z方向的加速度響應進行對比分析，如圖6所示。為了避免測點附近局部震動對試驗結果的干擾，利用Matlab軟件對試驗實測加速度記錄采用了帶通濾波處理，濾波范圍為0.01～30 Hz。

為了比較該三維隔震支座在不同工況下的隔震效果，引入隔震效率（IR）：

式中：FGZ_max為非隔震結構響應極值；GZ_max為隔震結構響應極值；IR取值范圍為0～1，IR越大，說明隔震支座隔震效果越好。

根據試驗結果，利用式（1）計算隔震支座3個方向的隔震效率，結果見表4。由表可見，X方向隔震效率均高于35%，Y方向隔震效率在30%～45%，說明在不同的地震動工況下，隔震支座均起到了良好的隔震作用；Z方向隔震效率穩定在20%左右，說明隔震支座能夠減小設備的豎向地震響應，但是隔震效果比水平向要差一些。其原因在于：隔震支座豎向的彈簧需要承受重力，所以設計支座時增大了彈簧剛度，而剛度越大，隔震效率越低，所以三維隔震支座在X、Y方向的隔震效果優于Z方向隔震效果。盡管如此，設備的豎向隔震效果也是非常顯著的，因此本研究研發的三維隔震支座能夠同時減小設備在水平向和豎向的地震響應，顯著增加設備的地震安全。

4"結論

為了同步降低核電設備在水平向和豎向的地震響應，本文以核電設備常用電機為例，研發了具有自復位可恢復功能的三維隔震支座，開展了三維隔震振動臺試驗，獲得了臺面和設備典型部位的加速度和位移的動力響應，通過對試驗結果的處理分析，得出以下結論：

（1）引入了隔震效率評價三維隔震支座對電機設備的隔震效果。根據計算得出的隔震效率結果來看，隔震支座在X、Y方向的隔震效果優于Z方向的隔震效果。其原因在于：隔震支座豎向的彈簧需要承受重力，所以設計支座時增大了彈簧剛度、而剛度越大，隔震效率越低，所以三維隔震支座在X、Y方向的隔震效果優于Z方向隔震效果。

（2）隨著輸入地震動峰值增大，隔震效率差別微小，隔震支座的隔震效果保持穩定，說明隔震支座對電機設備起到了良好的隔震作用，且其隔震效果在不同地震動強度下均比較理想，能夠顯著提高設備的地震安全性。

（3）本文研發的三維隔震支座對于不同的地震動均具有良好的隔震效果，可以為設備的三維隔震提供可靠的參考和技術支撐。盡管如此，不同地震動作用下隔震效果離散性仍然較大，需要進一步優化改進。此外還需要對設備的靜力、擬靜力和動力性能開展進一步的試驗和數值模擬，從而獲得其力學行為和本構關系。

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Three-dimensional Isolation Test of the Motor Equipment

NIE Guibo，XU Weidan，MA Jialu，WANG Zhiyong，SHI Yujie

（Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

Abstract

A three-dimensional seismic isolation bearing is designed for the nuclear power equipment.Taking the commonly used motor of nuclear power equipment as an example，we carried out a shaking table test to investigate the performance of three-dimensional seismic isolation of the motor and to obtain the seismic dynamic response of typical parts of the equipment.By comparing the data of the shaking table with the data of the measuring points on the equipment，we confirmed the effect of the seismic isolation bearing.The results show that with the increase of the peak value of the input ground motion，the difference in the isolation efficiency of the isolation bearing is small，and the isolation effect is relatively stable，indicating that the isolation bearing plays a good role in isolating the motor equipment.

Keywords：motor equipment；seismic isolation；shaking table test；seismic isolation efficiency

*收稿日期：2023-03-14.

基金項目：黑龍江省自然科學基金杰出青年基金（JQ2022E006）；中國地震局工程力學研究所基本科研業務費專項（2021B01）；中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室重點專項（2021EEEVL0308）.

第一作者簡介：聶桂波（1982-），研究員，博士，主要從事大跨空間結構地震韌性評估與韌性提升技術研究.E-mail：neiguibo0323@163.com.