核電機架系統(tǒng)邊界條件對抗震性能的影響

張學中，張朋波，閆佳麟，孫國良，汲書強

(中國信息通信研究院，北京 100191)

0 引言

在核電站多樣性驅動系統(tǒng)(DAS)、數(shù)字化儀控系統(tǒng)(DCS)、應急通信系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組成結構中，機架系統(tǒng)為最基本的承載單元，作用是方便安裝固定各類設備，給內部承載設備提供直接的安全保護。核電機架系統(tǒng)一般由機框、門板、內立柱、角規(guī)、側橫梁等部件組裝而成。由于核電廠復雜的使用環(huán)境和安全技術要求，機架系統(tǒng)需具備優(yōu)良的抗震性能和高強度，且抗震性能直接關系到內部儀表設備的安全使用。該文通過研究一種核電機架系統(tǒng)的減隔震裝置在地震中的實際使用效果，對比分析機架不同安裝邊界條件下的抗震性能。

1 機架減震系統(tǒng)

日本福島事件后，我國第三代核電技術抗震標準已提至數(shù)百年一遇，核電廠設計基準地震已由0.2 g提高到0.3 g，核電站機架的抗震性能也相應提高設計標準。簡單的抗震加固已不能完全保障人員安全、物理安全和設備安全，解決問題的根本方法為機架減震系統(tǒng)的設計和應用，降低機架輸入端的地震加速度，減小機架的地震響應。機架的減震系統(tǒng)無需改變機架本身的結構形式，是作為一種抗震組件應用于機架的設計中。

1.1 核電機架系統(tǒng)的特點

機架系統(tǒng)是以主體框架為核心的系統(tǒng)構造體，其整體強度和承載設備質量由框架系統(tǒng)的設計決定。機架的固有頻率與機架的強度相關，地震波為多頻波形，核電抗震反應譜頻帶范圍要求為1～100 Hz。如機架固有頻率處于反應譜平臺卓越頻率范圍內，在地震發(fā)生時，極易引起機架框架的共振響應，增加機架內安裝設備的地震響應，加大地震災害損失[1]。

通過對大量測試數(shù)據(jù)的分析，得出核電用機架系統(tǒng)的水平X、Y方向固有頻率不小于30 Hz，相比普通機架小于10 Hz的固有頻率顯著增強，可以提高機架系統(tǒng)的抗震性能。核電機架與普通機架固有頻率對比如圖1所示。

圖1 機架固有頻率分布圖Fig.1 Rack natural frequency distribution

1.2 減震系統(tǒng)選擇

一般機架提高抗震性能主要是通過提高自身的強度和剛度，增大強度的措施包括改變立柱界面形狀和主框架連接方式、加厚主框架板材、增加抗震組件等。這些措施在增大機架剛度的同時，也會增加機架在地震中的振動傳遞和振動響應，減震系統(tǒng)就會通過地震中不傳遞振動和吸收振動的方式來減小機架的損壞。機架減震系統(tǒng)的主要原理是把原來加固增加的剛度變成柔性材料，改變機架的固有頻率，通過地震載荷下減震系統(tǒng)的變形吸收地震的能量，使機架處于柔性工作狀態(tài)，克服機架加速度響應大的缺點。減震系統(tǒng)的選擇首先要考慮靜載特性，保證各受力單元的均勻，各受力單元的總承載能力至少大于額定載荷的2倍，保證靜載的變形量，使減震系統(tǒng)始終處于彈性范圍[2-5]。

地震激勵頻率在0～100 Hz范圍內，主要為低頻寬帶隨機振動，機架系統(tǒng)隨機激勵的低頻分量對機架內設備響應的“貢獻”比高頻分量大，非線性隔震器對于抑制低頻寬帶激勵具有理想的效果。機架減震系統(tǒng)主要由鋼絲繩減震器和限位裝置組裝而成。鋼絲繩減震器為一種非線性剛度和非線性阻尼的隔震器類型，鋼絲繩減震器本體主要由7股直徑6.0 mm的鋼絲繩環(huán)繞而成，每根鋼絲繩由19根1.2 mm的鋼絲組成，結構形式為拱狀，材質為不銹鋼，具有多向彈性變形，具備正向和側向承載能力，側向承載能力是正向的70%，單只垂直承載能力為300 kg，主要優(yōu)勢為自振頻率低，阻尼比大，放大倍率低、抗沖擊能力強，耐高溫、腐蝕，安裝方便[6-7]。減震器結構如圖2所示。

圖2 結構圖Fig.2 Structure diagram

減震系統(tǒng)的靜載特性如圖3所示。鋼絲繩隔震器靜態(tài)特性表現(xiàn)出一種剛度由高到低的變頻特性，在低

圖3 滯回曲線Fig.3 Hysteretic curve

式中：m為設備質量；c為設備阻尼；k為設備剛度；p(t)為激振力。

減震器靜剛度為：

a0=0.98 g ，

k=99.59×103(N/m)。

減震器承載質量為：

m=560 kg 。

承載質量固有頻率為：

f0=12.48 Hz ，

W0=2πf0=78.374 rad/s 。

減震器組成的多自由度系統(tǒng)固有頻率為：

ω=2πf=330.486 rad/s ，

隔振系數(shù)為：

隔振后設備加速度響應為：

A=a0×η=0.126 g 。

底部安裝4個減震器的工況下固有頻率為：

測試獲取的減震系統(tǒng)傳遞特性如圖4所示。

圖4 減震系統(tǒng)傳遞特性曲線Fig.4 Transmission characteristic curve of damping system

2 機架減震系統(tǒng)測試

2.1 實驗設計

將兩個560 kg的機架通過底部兩種安裝方式固定在轉接鋼板上，在機架主框架及振動臺上粘貼三向加速度傳感器，輸入人工合成地震波，獲取兩個核電抗震機架不同安裝方式下的各關鍵位置的振動加速度響應和固有頻率變化。

2.2 機架安裝方式

核電機架分別采用底部焊接和安裝減震器兩種方式(見圖5)。焊縫為角焊縫，熔深不小于1 mm，焊縫要求無夾渣、氣孔和裂紋等。焊接位置共有8段，每段長度為150 mm，焊高為10 mm。底部四個減震器固定于機架與轉接鋼板之間。

圖5 安裝示意圖Fig.5 Installation diagram

2.3 測試結果分析

輸入0.2 g白噪聲隨機激勵信號，頻帶范圍覆蓋0.5～100 Hz，獲取機架的響應頻率，固有頻率測試結果如表1所示。焊接安裝機架的固有頻率明顯高于減震器安裝的機架，底部安裝減震器的機架水平方向剛度低，側向支撐力不足[7]。兩種安裝方式機架頂部加速度響應測點X、Y、Z三個方向加速度響應曲線如圖6所示。在核電運行基準地震和安全停堆地震考核下，同時測試機架中部和頂部的X、Y、Z三個方向的加速度響應，響應數(shù)據(jù)如圖7所示。

表1 不同約束條件下的機架固有頻率Table 1 Natural frequency of the rack under different constraints

圖6 地震加速度響應Fig.6 Seismic acceleration response

圖7 不同約束條件下的機架地震加速度響應Fig.7 Seismic acceleration response of frame under different constraints

鋼絲繩隔震器為非線性隔震器，輸入人工合成地震波為大位移隨機波，對隔震器的評價不采用傳遞函數(shù)來描述隔振效率，將設備加速度響應的幅值與激勵信號的差異作為對非線性隔振效率的評價指標。由于安裝剛度的差異，機架的最大加速度響應發(fā)生在機架的頂部。通過加速度響應數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，底部安裝減震器的機架水平加速度響應放大率為3.786，垂直方向為2.536；水平方向減震51%，垂直方向減震54%?？梢缘贸觯瑴p震器在地震時發(fā)揮出減隔震作用。隨著外界激勵信號幅值的增大，鋼絲繩隔震器剛度降低，固有頻率降低，隔震頻率遠離激勵頻率，使隔震效果進一步增強。機架頂部響應測點X、Y、Z三個方向位移曲線如圖8所示，頂部響應測點X、Y、Z三個方向試驗響應反應譜對比如圖9所示。

圖8 地震位移響應Fig.8 Seismic displacement response

圖9 試驗響應反應譜對比Fig.9 Comparison of test response spectra

通過機架頂部位移數(shù)據(jù)和響應TRS比較可發(fā)現(xiàn)，減震器對高頻振動敏感，對地震波中的低頻成分減震效果不明顯；垂直方向隔振效果明顯，水平方向隔振效果不明顯。垂直方向最高可減震54.02%加速度幅值，減震器減小地震中機架加速度響應的同時，增加機架頂部的位移，提高機架的偏移角度，對機架立柱結構的抗震性能考核等級高。由于減震器良好的高頻耗能，使機架的加速度響應值小于剛性連接的安裝方式，同時減震器的位移試驗值大于剛性連接機架位移值，導致機架傾覆力矩變大，對水平剛度不足的現(xiàn)象還需進一步增加加固和限位措施，達到理想的減震狀態(tài)。

3 結語

機架的減隔震系統(tǒng)采用先進的非線性剛度和非線性阻尼的設計理念，通過實驗證實能起到對機架內設備的隔振、抗震與緩沖的作用。與傳統(tǒng)的減震系統(tǒng)相比，具有環(huán)境適應性強，使用壽命長，安裝方式多樣，良好的緩沖抗沖性能，阻尼大，安裝方便等優(yōu)點。隨著我國核電的大力發(fā)展，機架減震系統(tǒng)未來也可應用到海上核電站、海上浮動堆、核動力平臺、核動力破冰船、核動力商船等項目上，以減小海浪沖擊、地震等對設備安全性的影響。