黃文慧 陳學(xué)德

（中國核動力研究設(shè)計院 成都 610041）

18-5臨界裝置廠房樓層響應(yīng)譜計算研究

黃文慧 陳學(xué)德

（中國核動力研究設(shè)計院 成都 610041）

根據(jù)18-5臨界裝置某機(jī)柜抗震試驗分析的要求，利用ANSYS大型通用有限元程序，建立臨界裝置廠房結(jié)構(gòu)的有限元模型。在其地基處輸入給定的位移時程，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析，計算得到廠房結(jié)構(gòu)中機(jī)柜位置處的位移時程、加速度時程等力學(xué)量。用該關(guān)鍵位置處的加速度時程計算其相應(yīng)的加速度響應(yīng)譜，分別給出了運行基準(zhǔn)地震(OBE)和安全停堆地震(SSE)作用下該廠房標(biāo)高3.50 m主控制室位置處阻尼比為2%、4%、5%和7%的樓層響應(yīng)譜。

樓層響應(yīng)譜，位移時程，加速度時程，運行基準(zhǔn)地震，安全停堆地震

根據(jù)中國核動力研究設(shè)計院18-5臨界裝置安全評審的要求，需對該堆某型機(jī)柜進(jìn)行抗震試驗。該機(jī)柜位于18-5臨界裝置廠房結(jié)構(gòu)標(biāo)高3.5 m的主控制室內(nèi)。由于缺少該廠房結(jié)構(gòu)標(biāo)高3.5 m的主控制室相應(yīng)位置處的地震載荷譜，需開展18-5臨界裝置廠房結(jié)構(gòu)樓層響應(yīng)譜計算。目的是提供在OBE、SSE兩種地震載荷工況下，廠房結(jié)構(gòu)3.5 m標(biāo)高主控制室處的樓層響應(yīng)譜。

1 廠房結(jié)構(gòu)

需要做抗震試驗的機(jī)柜位于18-5臨界裝置廠房一層平面的主控制室內(nèi)，與該主控制室相關(guān)聯(lián)的廠房結(jié)構(gòu)從整體上可分為與該主控制室同側(cè)的磚砌體結(jié)構(gòu)和另一側(cè)的屏蔽墻混凝土結(jié)構(gòu)兩大部分。磚砌體結(jié)構(gòu)共分為三層，包括地下室、一層以及二層，以地下室地面高度為0標(biāo)高，一層平面地板高度約為3.5 m，二層平面地板高度約為7 m，二層平面樓頂高度約為10.5 m，其中地下室結(jié)構(gòu)長約32.9 m，寬約5.7 m，一層及二層結(jié)構(gòu)長約18 m，寬約5.7 m，圖1為廠房地下室平面示意圖。屏蔽墻混凝土結(jié)構(gòu)長約18 m，寬約10.9 m，高約15 m。一層平面的主控制室內(nèi)放置若干機(jī)柜，這些機(jī)柜總重約1.2 t；主控制室右邊的實驗室內(nèi)放置電源柜、電氣控制柜以及不間斷電源等，總重約0.8 t；屏蔽墻混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)高約12 m處安裝有吊車，重量約5.6 t。

2 材料特性

組成廠房結(jié)構(gòu)的磚砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的物理特性見表1。

圖1 廠房地下室結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure overview of building basement.

表1 廠房結(jié)構(gòu)材料物理特性Table 1 Material properties of building.

3 有限元仿真計算

3.1有限元模型

根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)形式，在一定簡化的基礎(chǔ)上，計算時對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了下列模擬：1) 所有墻體、樓板等均采用SHELL63單元來模擬[1]；2) 主控制室內(nèi)機(jī)柜、實驗室內(nèi)電源柜、電氣控制柜以及屏蔽墻混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)吊車等主要裝置僅考慮其質(zhì)量，采用MASS21質(zhì)量元模擬。

邊界條件：約束地下室地基墻體的所有自由度。具體有限元模型見圖2。

圖2 廠房結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of building.

3.2計算載荷

分析中采用我國1997年頒布的《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》[2]給出的硬土場地的水平向和豎向標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，并按實際場地水平OBE加速度值0.1 g和水平SSE加速度值0.2 g進(jìn)行標(biāo)定，豎向設(shè)計加速度峰值采用水平向設(shè)計加速度峰值的2/3。取阻尼比2%所對應(yīng)的譜值作為OBE地震輸入譜，阻尼比4%所對應(yīng)的譜值作為SSE地震輸入譜，具體使用的水平向地震響應(yīng)譜和垂向響應(yīng)譜見表2和表3。在對廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析計算前，采用專用的譜轉(zhuǎn)時程程序?qū)⒈?、表3所示的加速度譜轉(zhuǎn)為與其相對應(yīng)的位移時程，以位移時程作為輸入載荷。在OBE樓板響應(yīng)譜計算時，廠房結(jié)構(gòu)的阻尼值取5%，在SSE樓板響應(yīng)譜計算時，廠房結(jié)構(gòu)的阻尼值取7%。

表2 水平方向加速度譜值Table 2 Horizontal acceleration spectrum value.

表3 垂直方向加速度譜值Table 3 Vertical acceleration spectrum value.

4 模態(tài)分析

模態(tài)分析結(jié)果列于表4。第2階Z方向參與質(zhì)量最大，第5階Y方向參與質(zhì)量最大，第21階X方向參與質(zhì)量最大。

表4 廠房固有頻率Table 4 Inherence frequence of the building.

5 動力響應(yīng)計算結(jié)果

利用線彈性瞬態(tài)動力時程分析方法，輸入廠房結(jié)構(gòu)安裝位置處的位移時程，采用ANSYS有限元計算程序，計算結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)。OBE地震作用下機(jī)柜位置3.50 m處的X方向加速度時程見圖3，SSE地震作用下機(jī)柜位置3.50 m處的X方向加速度時程見圖4。

圖3 OBE地震作用下標(biāo)高3.50 m處X方向加速度時程Fig.3 Acceleration time history at the height of 3.50 m under load OBE.

圖4 SSE地震作用下標(biāo)高3.50 m處X方向加速度時程Fig.4 Acceleration time history at the height of 3.50 m under load SSE.

6 樓層響應(yīng)譜計算結(jié)果

用動力分析計算得到的關(guān)鍵標(biāo)高位置處的加速度時程計算其相應(yīng)的樓層響應(yīng)譜。在計算樓層響應(yīng)譜時，頻率間隔根據(jù)核電廠抗震設(shè)計規(guī)范的規(guī)定選取，并將計算所得樓層響應(yīng)譜按照ASME規(guī)范[3]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了拓寬，與結(jié)構(gòu)頻率相關(guān)的峰值拓寬量△fj取為0.15fj，拓寬后的OBE地震作用下標(biāo)高3.50m處X方向的譜曲線見圖5；SSE地震作用下標(biāo)高3.50 m處X方向的加速度譜曲線見圖6。

圖5 OBE地震作用下標(biāo)高3.50 m處X方向加速度譜Fig.5 Acceleration spectrum at the height of 3.50 m under load OBE.

圖6 SSE地震作用下標(biāo)高3.50 m處X方向加速度譜Fig.6 Acceleration spectrum at the height of 3.50 m under load SSE.

7 樓層響應(yīng)譜與基礎(chǔ)譜的對比分析

將樓層響應(yīng)譜的加速度譜值與基礎(chǔ)譜的加速度譜值進(jìn)行對比分析，其中OBE、SSE地震作用下標(biāo)高3.50 m處X方向的對比曲線分別如圖7所示。通過對樓層響應(yīng)譜的加速度譜值與基礎(chǔ)加速度譜值的分析比較，可得到如下結(jié)論：

1) OBE地震作用下，阻尼比為2%時3.50 m處水平X方向峰值加速度為5.48 m·s?2，零周期加速度為1.60 m·s?2，與基礎(chǔ)的相應(yīng)加速度譜值相比分別放大了1.31倍、1.63倍；水平Z方向峰值加速度為5.25 m·s?2，零周期加速度為1.71 m·s?2，與基礎(chǔ)的相應(yīng)加速度譜值相比分別放大了1.26倍、1.74倍；垂直Y方向峰值加速度為4.21 m·s?2，零周期加速度為1.06 m·s?2，與基礎(chǔ)的相應(yīng)加速度譜值相比分別放大了1.49倍、1.61倍；

2) SSE地震作用下，阻尼比為4%時3.50 m處水平X方向峰值加速度為7.84 m·s?2，零周期加速度為2.94 m·s?2，與基礎(chǔ)的相應(yīng)加速度譜值相比分別放大了1.19倍、1.50倍；水平Z方向峰值加速度為7.68 m·s?2，零周期加速度為4.00 m·s?2，與基礎(chǔ)的相應(yīng)加速度譜值相比分別放大了1.16倍、2.04倍；垂直Y方向峰值加速度為5.98 m·s?2，零周期加速度為2.50 m·s?2，與基礎(chǔ)的相應(yīng)加速度譜值相比分別放大了1.40倍、1.91倍。

圖7 OBE(a)和SSE(b)地震作用下標(biāo)高3.50 m處X方向加速度譜值與基礎(chǔ)處水平方向加速度譜值的對比Fig.7 Comparison of acceleration spectrum in X direction at the height of 3.50 m under load OBE(a) and SSE(b) with which at foundation in horizontal.

8 結(jié)語

通過對18-5臨界裝置廠房結(jié)構(gòu)的詳細(xì)動力分析計算，分別獲得了OBE、SSE地震工況下關(guān)鍵位置處的加速度時程，然后將該加速度時程轉(zhuǎn)為相應(yīng)的加速度譜，并通過對比分析，本次計算獲得的樓層響應(yīng)譜放大因子是合理的，本次計算分析所獲得的關(guān)鍵位置處樓層響應(yīng)譜可以作為位于主控制室內(nèi)的機(jī)柜抗震試驗的輸入。

1 ANSYS program user manual[Z]

2 國家地震局, 核電廠抗震設(shè)計規(guī)范[S]. GB50267-97, 1997-7-31 China earthquake administration, code for seismic design of nuclear power plants[S]. GB50267-97, 1997-7-31

3 American society of mechanical engineers[S]. Boiler and Pressure Vessel Code, 2010

Design floor response spectra calculation rearch for 18-5 critical device building

HUANG Wenhui CHEN Xuede
(Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China)

Background: Seismic test analysis of a cabinet in 18-5 citical device building is requried for safety inspection of zero power reactor, however, the floor response spectra at the height of 3.5 m where the cabinet is located are lacking. Purpose: For seismic test analysis of the cabinet in 18-5 citical device building, dynamic analysis is performed for the building, with the purpose to obtain the floor response spectra at the height of 3.5 m where the cabinet is located. Methods: The displacement time history and acceleration time history on the given height floor are calculated by using transient dynamic time history method with the software ANSYS under the load of foundation displacement time history, then acceleration response spectrum on the floor that the cabinet locates is calculated with the corresponding acceleration time history obtained on the cabinet floor. Results: The design floor response spectra under load OBE and SSE at the height of 3.5 m are offered with damping ratios of 2%, 4%, 5% and 7%, respectively. Conclusions: The design floor response spectra are credible and have been adopted by test analysis of the cabinet.

Floor response spectra, Displacement time history, Acceleration response spectrum, Operation basis earthquake, Safe shutdown earthquake

TL364

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040609

黃文慧，女，1978年出生，2007年于中國核動力研究設(shè)計院獲碩士學(xué)位，副研究員，研究方向為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)

2012-10-31，

2012-11-30

CLC TL364