徐衛(wèi)鋒，李彬彬，2，劉 博，王社良，李一凡，賈亮衛(wèi)，趙青云

（1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055；3.中鐵二十局集團(tuán)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(yù)測(cè)的自然災(zāi)害，若對(duì)核電站造成破壞并導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄露，后果不堪設(shè)想，因此保證核電站重要結(jié)構(gòu)及設(shè)備在地震作用下的安全運(yùn)行，具有特殊的重要性。對(duì)于核電站重要結(jié)構(gòu)及設(shè)備的設(shè)計(jì)必須滿足相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范外，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)技術(shù)作為一種目前廣泛應(yīng)用于模擬地震的試驗(yàn)方法，被相關(guān)規(guī)范作為重要核電設(shè)備鑒定流程中必須執(zhí)行的一個(gè)環(huán)節(jié)［1－5］。

關(guān)于核電設(shè)備的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)已有不少的研究，洪峰等［6］對(duì)IS 型單級(jí)單吸清水離心泵進(jìn)行了動(dòng)力特性測(cè)試和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；SUNG 等［7］對(duì)核電站機(jī)柜進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，觀察到隨著激振水平的增加，柜體的動(dòng)剛度減小，并建立了核電站機(jī)柜非線性地震反應(yīng)分析的簡(jiǎn)化模型；施衛(wèi)星等［8］、劉凱燕等［9］和王梁坤等［10］分別對(duì)核電廠循環(huán)風(fēng)機(jī)、消氫風(fēng)機(jī)、1E級(jí)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)油泵和出線盒進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)包括首末兩次白噪聲掃頻和5 次運(yùn)行基準(zhǔn)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(yàn)輸入人工地震動(dòng)的要求，且試驗(yàn)的設(shè)備均通過(guò)抗震考核試驗(yàn)，抗震性能良好；高永武等［11］對(duì)某核級(jí)一次水事故泵進(jìn)行5 次OBE 和1 次SSE 三維人造地震動(dòng)輸入振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)前后設(shè)備的完整性及功能的可運(yùn)行性表現(xiàn)正常，抗震性能良好。

目前核電設(shè)備振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，基本都是將核電設(shè)備與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面剛性連接，而現(xiàn)實(shí)中存在核電設(shè)備通過(guò)專用膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻上，兩者動(dòng)力相互作用更為復(fù)雜，設(shè)備的地震響應(yīng)難以預(yù)測(cè)，但考慮不同現(xiàn)實(shí)固定條件的核電設(shè)備振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究基本沒(méi)有。因此，研究考慮不同固定條件的核電設(shè)備多維地震響應(yīng)，對(duì)核電設(shè)備抗震設(shè)計(jì)以及核電站安全運(yùn)行有著重要意義。

本文振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為模擬核電設(shè)備在真實(shí)環(huán)境下不同的固定條件：一種將設(shè)備直接與振動(dòng)臺(tái)相連；另一種采用核電站中專用的膨脹螺栓將核電設(shè)備懸掛固定于剪力墻，剪力墻再與振動(dòng)臺(tái)螺栓連接，共進(jìn)行5 次OBE 和1 次SSE 工況下動(dòng)力時(shí)程激振，以及試驗(yàn)首末的2 次動(dòng)力特性測(cè)試，分析不同固定條件的核電設(shè)備在各試驗(yàn)工況下的多維地震響應(yīng)，比較試驗(yàn)前后設(shè)備的損傷情況，并對(duì)試驗(yàn)的核電設(shè)備抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及對(duì)象

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MTS 三維六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)。該振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸4.1 m×4.1 m，滿負(fù)荷下最大試件重量30 t，試驗(yàn)頻率0.1～100 Hz；最大位移為水平X 向±15 cm、水平Y(jié) 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(jié) 向3.8 g和豎向Z 向6.0 g。數(shù)據(jù)采集采用LMS Test Lab 智能動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析儀，通道數(shù)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(yàn)對(duì)象及安裝

試驗(yàn)的兩臺(tái)核電設(shè)備樣機(jī)為核電站某型號(hào)的原型配電箱：1 號(hào)配電箱通過(guò)剛性過(guò)渡板用M25 的螺栓和振動(dòng)臺(tái)連接，模擬核電設(shè)備與核電站墻體剛性連接；2 號(hào)配電箱通過(guò)核電專用膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻上，剪力墻再通過(guò)預(yù)留孔洞與振動(dòng)臺(tái)螺栓連接，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下設(shè)備懸掛于核電站結(jié)構(gòu)墻體的情況。兩臺(tái)核電設(shè)備與主體結(jié)構(gòu)的固定條件不同：1 號(hào)配電箱的固定條件可視為設(shè)備與主體結(jié)構(gòu)剛性連接；2 號(hào)配電箱的固定條件可視為設(shè)備與主體結(jié)構(gòu)非剛性連接。試驗(yàn)中與設(shè)備相連的支承結(jié)構(gòu)是混凝土等級(jí)為C40，主筋為HRB400，箍筋為HPB235的剪力墻。試驗(yàn)對(duì)象安裝和固定后如圖1所示。

圖1 安裝及固定后的試驗(yàn)對(duì)象Fig.1 Test object after installation and fixation

1.3 測(cè)點(diǎn)布置及坐標(biāo)軸規(guī)定

根據(jù)規(guī)范及試驗(yàn)大綱對(duì)核電設(shè)備抗震試驗(yàn)的要求和試驗(yàn)方法［1－3］，在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面和樣機(jī)上共布置了3 個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)分別記為A1、A2 和A3，其中：A1 測(cè)點(diǎn)布置在振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面上，主要測(cè)試臺(tái)面的地震輸入情況；A2 測(cè)點(diǎn)布置在1 號(hào)配電箱并且A3 測(cè)點(diǎn)布置在2 號(hào)配電箱，這兩個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)布置在樣機(jī)地震反應(yīng)的關(guān)鍵部位，高度基本相同，主要測(cè)試樣機(jī)的地震反應(yīng)情況。3個(gè)測(cè)點(diǎn)均包含有X、Y 和Z三個(gè)方向分量，故共布置了9個(gè)PCB 型加速度傳感器。具體測(cè)點(diǎn)位置以及坐標(biāo)軸規(guī)定，如圖2所示。

圖2 加速度測(cè)點(diǎn)布置及坐標(biāo)軸示意圖Fig.2 Layout of acceleration measuring points and schematic diagram of coordinate axis

2 試驗(yàn)方法和步驟

2.1 試驗(yàn)對(duì)象動(dòng)力特性測(cè)定

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)首先對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行第一次動(dòng)力特性測(cè)試，隨后進(jìn)行5次OBE 和1次SSE 抗震考核試驗(yàn)，最后再進(jìn)行第二次動(dòng)力特性測(cè)試，其中：動(dòng)力特性測(cè)試試驗(yàn)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(jī)波，并且在設(shè)備的X、Y和Z三個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行激勵(lì)，以測(cè)定試驗(yàn)對(duì)象的動(dòng)力特性。

2.2 抗震性能考核試驗(yàn)

在抗震性能考核試驗(yàn)中：試驗(yàn)輸入的地震波是根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的樓層反應(yīng)譜，先作出需求反應(yīng)譜RRS（Required Response Spectrum，RRS），再進(jìn)行轉(zhuǎn)化計(jì)算生成人工地震波，將該人工地震波作為振動(dòng)臺(tái)輸入信號(hào)進(jìn)行抗震試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)大綱及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，生成的試驗(yàn)人工地震波響應(yīng)譜TRS（Test Response Spectrum）應(yīng)包絡(luò)需求譜RRS。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究不同固定條件的核電設(shè)備多維地震響應(yīng)情況，故在X、Y 和Z 三正交軸方向同時(shí)輸入人工地震波進(jìn)行激勵(lì)振動(dòng)，為確保輸入人工地震波的相互獨(dú)立，其相干函數(shù)的平均值應(yīng)小于0.5，相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值小于0.3［3］。人工地震波的阻尼比取5%，該次試驗(yàn)OBE 工況的譜值為SSE工況的80%。SSE工況輸入的人工地震波時(shí)程曲線、加速度反應(yīng)譜和相關(guān)函數(shù)圖，如圖3所示。

圖3 SSE抗震試驗(yàn)的人工地震波（時(shí)程曲線、反應(yīng)譜和相關(guān)函數(shù)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(yàn)中：試驗(yàn)輸入的人工地震波強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間30 s，人工地震波的響應(yīng)譜TRS能較好包絡(luò)需求反應(yīng)譜RRS，滿足規(guī)范要求。輸入的三向人工地震波，兩兩之間相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值均小于0.2，滿足規(guī)范絕對(duì)值小于0.3的要求。

2.3 功能監(jiān)測(cè)與目視檢查

在抗震性能考核試驗(yàn)過(guò)程中：需要對(duì)配電箱工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及部件的功能運(yùn)行是否正常。在抗震性能考核試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后，還需目視檢查被試設(shè)備結(jié)構(gòu)的完整性；結(jié)構(gòu)件不應(yīng)有裂紋；螺栓、螺母不應(yīng)有松動(dòng)和脫落；電氣部件不應(yīng)有松動(dòng)等不正?，F(xiàn)象。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 設(shè)備與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性

在X、Y 和Z 三正交軸方向采用白噪聲波進(jìn)行激勵(lì)，測(cè)得設(shè)備的自振頻率和阻尼比。以A3 測(cè)點(diǎn)X 方向第一次白噪聲工況為例，利用Matlab 計(jì)算傳遞函數(shù)，得到幅頻曲線及相頻曲線，如圖4 所示，然后通過(guò)半功率法計(jì)算阻尼比［12－13］。該次試驗(yàn)設(shè)備的自振頻率和阻尼比，見表1。

圖4 A3測(cè)點(diǎn)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(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行第二次白噪聲波激勵(lì)，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與表1的數(shù)值差別不大，可認(rèn)為試驗(yàn)前后核電設(shè)備基本無(wú)損傷。

表1 設(shè)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(dòng)力響應(yīng)

由于篇幅限制，僅給出SSE工況下A3測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向的加速度響應(yīng)時(shí)程曲線，如圖5 所示。通過(guò)加速度時(shí)程曲線，獲得各測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.5 Time history responses of A3 measuring point along three directions under SSE

表2 各測(cè)點(diǎn)加速度峰值Table 1 Maximum accelerations of measuring points

從表中可知：設(shè)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(hào)配電箱Y 方向峰值3.10 g，地震響應(yīng)強(qiáng)烈。固定于臺(tái)面的1號(hào)配電箱各工況各方向的峰值均與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面峰值接近，表明兩者的動(dòng)力響應(yīng)基本一致，該種固定條件沒(méi)有放大加速度峰值；而2 號(hào)配電箱的加速度峰值均遠(yuǎn)大于各工況各方向下臺(tái)面的加速度峰值，說(shuō)明通過(guò)膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻再與振動(dòng)臺(tái)連接的固定條件，放大了加速度峰值。2號(hào)配電箱與1號(hào)配電箱直接相比，加速度峰值也顯著增大。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同固定條件的核電設(shè)備在地震作用時(shí)將呈現(xiàn)不同的多維地震響應(yīng)，且懸掛固定于支撐結(jié)構(gòu)再與臺(tái)面相連的核電設(shè)備多維地震響應(yīng)將更為強(qiáng)烈。

3.3 反應(yīng)譜特性和動(dòng)力放大系數(shù)

以SSE 工況為例，計(jì)算得到設(shè)備三方向的加速度反應(yīng)譜，如圖6 所示。從圖中可知：在三個(gè)方向上，A2測(cè)點(diǎn)與A1 測(cè)點(diǎn)的譜峰值及譜形狀都基本一致，表明1 號(hào)配電箱與臺(tái)面輸入地震波的譜特性基本相同，該種固定條件沒(méi)有改變譜特性。然而，A3測(cè)點(diǎn)與A1測(cè)點(diǎn)的三方向譜形狀差異較大，A3測(cè)點(diǎn)譜峰值遠(yuǎn)大于A1測(cè)點(diǎn)，且譜峰值有明顯的滯后現(xiàn)象，表明2號(hào)配電箱通過(guò)膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻再與振動(dòng)臺(tái)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(guò)剪力墻及膨脹螺栓傳遞到核電設(shè)備時(shí)已經(jīng)發(fā)生改變，產(chǎn)生了峰值放大以及峰值滯后的現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明：核電設(shè)備的不同固定條件會(huì)影響其反應(yīng)譜特性，且與臺(tái)面輸入地震波的反應(yīng)譜可能相似也可能存在較大差異，如果將振動(dòng)臺(tái)類比為某一核電站主體結(jié)構(gòu)，則核電設(shè)備的譜特性是否與樓層反應(yīng)譜一致取決于設(shè)備的固定條件能否真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備與主體結(jié)構(gòu)的剛性連接。

圖6 SSE工況下各測(cè)點(diǎn)加速度反應(yīng)譜Fig.6 Response spectrum of measuring points under SSE

定義動(dòng)力放大系數(shù)為設(shè)備的絕對(duì)加速度最大值除以臺(tái)面輸入地震波的加速度峰值，得到設(shè)備各工況下的動(dòng)力放大系數(shù)并進(jìn)行比較，如圖7 所示。從圖中可知：A2 測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向的動(dòng)力放大系數(shù)均為1 左右，表明1號(hào)配電箱幾乎與振動(dòng)臺(tái)作剛體平動(dòng)，該種設(shè)備固定條件無(wú)放大效應(yīng)；A3測(cè)點(diǎn)在所有試驗(yàn)工況下X方向和Y方向的動(dòng)力放大系數(shù)數(shù)值在2 左右波動(dòng)，Z 方向在1.4 左右波動(dòng)，表明通過(guò)膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻再與振動(dòng)臺(tái)連接的固定條件，具有顯著的動(dòng)力放大效應(yīng)，致使核電設(shè)備在地震作用時(shí)承受更大的地震作用力，因此，對(duì)此類固定條件的核電設(shè)備，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及固定時(shí)要充分考慮放大效應(yīng)，以提高設(shè)備的抗震韌性。

圖7 各測(cè)點(diǎn)在OBE和SSE工況下動(dòng)力放大系數(shù)Fig.7 Dynamic amplification factor of measuring point under OBE and SSE

3.4 其他指標(biāo)

通過(guò)功能監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備在試驗(yàn)過(guò)程中及結(jié)束，工作狀態(tài)正常，各項(xiàng)功能指標(biāo)沒(méi)有變化。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)：1號(hào)配電箱與與臺(tái)面連接的螺栓、螺母無(wú)松動(dòng)、脫落，2號(hào)配電箱與剪力墻連接處的膨脹螺栓沒(méi)有松動(dòng)，周圍無(wú)裂縫。設(shè)備及結(jié)構(gòu)均無(wú)裂紋，也沒(méi)有任何損傷及變形，結(jié)構(gòu)完整性好。

4 結(jié)論

本文研究考慮不同固定條件的核電設(shè)備多維地震響應(yīng)：一種將設(shè)備直接與振動(dòng)臺(tái)相連；另一種采用核電站中專用的膨脹螺栓將核電設(shè)備懸掛固定于剪力墻，剪力墻再與振動(dòng)臺(tái)螺栓連接，進(jìn)行了試驗(yàn)首末兩次動(dòng)力特性測(cè)試，以及5次OBE和1次SSE抗震試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)動(dòng)力特性測(cè)試，得到核電設(shè)備自振頻率和阻尼比等動(dòng)力特性。比較試驗(yàn)首末兩次動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力特性基本沒(méi)有改變，認(rèn)為核電設(shè)備基本無(wú)損傷。

（2）對(duì)5 次OBE 和1 次SSE 工況下核電設(shè)備的動(dòng)力響應(yīng)分析，結(jié)果表明：不同固定條件的核電設(shè)備在地震作用時(shí)將呈現(xiàn)不同的多維地震響應(yīng)，且懸掛固定于支撐結(jié)構(gòu)再與振動(dòng)臺(tái)相連的固定條件，放大了核電設(shè)備地震響應(yīng)的加速度峰值，地震作用時(shí)此類固定條件將使核電設(shè)備多維地震響應(yīng)更為強(qiáng)烈。

（3）通過(guò)反應(yīng)譜特性和動(dòng)力放大系數(shù)分析，試驗(yàn)中將設(shè)備與振動(dòng)臺(tái)剛接的固定條件，沒(méi)有改變反應(yīng)譜特性，而通過(guò)膨脹螺栓懸掛于剪力墻再與振動(dòng)臺(tái)連接的固定條件，致使譜特性發(fā)生譜峰值增大和滯后，譜形狀改變，表明不同固定條件會(huì)影響核電設(shè)備反應(yīng)譜特性；試驗(yàn)中與振動(dòng)臺(tái)剛接的固定條件，動(dòng)力放大系數(shù)基本為1，并未使核電設(shè)備產(chǎn)生動(dòng)力放大效應(yīng)，而通過(guò)膨脹螺栓懸掛固定于剪力墻再與振動(dòng)臺(tái)連接的固定條件，具有顯著的動(dòng)力放大效應(yīng)，致使核電設(shè)備在地震作用時(shí)將承受更大的地震作用力，因此，對(duì)此類固定條件的核電設(shè)備，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及固定時(shí)要充分考慮放大效應(yīng)，以提高設(shè)備的抗震韌性。

（4）抗震試驗(yàn)前后，核電設(shè)備功能運(yùn)行正常，螺栓、螺母無(wú)松動(dòng)和脫落，連接處的膨脹螺栓沒(méi)有松動(dòng)，周圍無(wú)裂縫。核電設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性好，抗震性能滿足要求，且兩種核電設(shè)備固定條件均通過(guò)抗震考核。