摘要：對核電站主控制室內(nèi)的后備盤臺在地震作用下的地震響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究。反應(yīng)譜分析結(jié)果表明，后備盤臺的最大Mises應(yīng)力為91.89 MPa，小于結(jié)構(gòu)材料的最大屈服極限，即后備盤臺具有良好的抗震性能。時(shí)程分析結(jié)果表明，隨著高度的增加，結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)加速度幅值逐漸增加，且橫向振動幅值增益最為明顯。對后備盤臺顯示屏安裝區(qū)域的振動信號進(jìn)行時(shí)頻分析，得到同一點(diǎn)3個方向的能量峰值均位于2～3 Hz，但出現(xiàn)的時(shí)間段各不相同，橫向的能量峰值接近于縱向和垂向能量峰值的2倍。地震試驗(yàn)分析結(jié)果表明，隨著高度增加，振動加速度幅值逐步增大，且在橫向上的振動信號放大最為顯著，因此抑制后備盤臺橫向運(yùn)動是改善結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵。地震試驗(yàn)后，后備盤臺整體結(jié)構(gòu)無變形和破裂，各連接件無松動和脫落，被試盤臺通過了地震試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：核電；后備盤臺；抗震；鑒定試驗(yàn)

中圖分類號：TU973文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2024）04-0635-12

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.00550引言

盤臺是核電廠主控制室執(zhí)行信息化監(jiān)視和控制的關(guān)鍵儀控設(shè)備，工程師在突發(fā)工況下可利用后備盤臺評價(jià)全廠安全狀態(tài)，確保核電廠的安全和穩(wěn)定運(yùn)行（許彧青，2012）?？紤]到核電站可能建立在沿海地震頻發(fā)地帶，且由于日本福島核電站事故的惡劣影響，后備盤臺在地震工況下保持結(jié)構(gòu)和功能的完整尤為重要。在地震期間，后備盤臺應(yīng)能確保內(nèi)部設(shè)備正常運(yùn)行，地震后盤臺結(jié)構(gòu)能保證無永久變形和破裂，各個連接件無松動和脫落，因此抗震性能是后備盤臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一（Tan et al，2014）。

目前，核電儀控設(shè)備的抗震分析受到了國內(nèi)外核工業(yè)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注（黃茜等，2020；趙萬松等，2017；Cao et al，2020；Salman et al，2020；劉明星等，2021；楊文芳等，2010；Lee，Jung，2020；Tran et al，2020a，b）。Gao等（2020）提出了一種評估和預(yù)測核電站電氣柜地震風(fēng)險(xiǎn)的簡化方法，該方法是易損性分析和累積絕對速度分析的組合。數(shù)值分析結(jié)果表明，當(dāng)?shù)卣鹄鄯e絕對速度值大于0.27 g·s時(shí)，電氣柜的操作條件會受到地震的干擾。劉明星等（2021）采用響應(yīng)譜法對機(jī)柜進(jìn)行校核，通過抗震試驗(yàn)分析機(jī)柜的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性與抗震性能，確認(rèn)抑制機(jī)柜的橫向運(yùn)動是改善結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵。Salman等（2020）研究了分組并柜對機(jī)柜抗震能力的影響，結(jié)果顯示2個機(jī)柜并柜和3個機(jī)柜并柜使機(jī)柜的故障概率分別降低了28%和50%。

上述研究對認(rèn)識儀控設(shè)備，尤其是對控制機(jī)柜的抗震分析提供了重要參考依據(jù)。但有關(guān)后備盤臺的抗震性能分析和研究則相對較少。Satyavathi等（2013）采用有限元仿真的方法確認(rèn)設(shè)計(jì)的后備盤臺結(jié)構(gòu)小于材料的屈服應(yīng)力，滿足抗震設(shè)計(jì)需求。Lee 等（2005）使用反應(yīng)譜法分析后備盤臺在地震反應(yīng)譜作用下的應(yīng)力情況，并將試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對比，證明仿真結(jié)果的可靠性以及結(jié)構(gòu)的功能完整性。但是上述盤臺相關(guān)研究在做仿真分析時(shí)，僅通過反應(yīng)譜分析法計(jì)算盤臺結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力，無法探究盤臺的振動響應(yīng)特性，未對盤臺的振動信號、演變特征進(jìn)行深入的探討。因此，有必要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析盤臺在地震動工況下的行為，探索結(jié)構(gòu)可能存在的振動演變特征，并將仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)研究進(jìn)行對比，揭示后備盤臺受到地震激勵下的響應(yīng)行為，從而為后備盤臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗震性能評價(jià)提供更為可靠的理論依據(jù)。

本文采用反應(yīng)譜分析法和時(shí)程分析法對某核級控制室后備盤臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，在認(rèn)清結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)和時(shí)程動態(tài)響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照核電設(shè)備試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對后備盤臺樣機(jī)進(jìn)行抗震鑒定試驗(yàn)，分析測得的后備盤臺結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)，對比分析和探討仿真與試驗(yàn)結(jié)果，揭示結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特征。

1后備盤臺有限元模型

后備盤臺三維模型如圖1a所示，外形包絡(luò)尺寸為1 800 mm×960 mm×1 055 mm（高×寬×深），主要由焊接框架、底板、頂板、馬賽克顯示盤面、馬賽克控制盤面組成，其中框架外形包絡(luò)尺寸為1 800 mm×960 mm×1 055 mm（高×寬×深），底板外形包絡(luò)尺寸為120 mm×960 mm×850 mm（高×寬×深），頂板外形包絡(luò)尺寸為960 mm×600 mm×3 mm（寬×深×厚），馬賽克顯示盤面外形包絡(luò)尺寸為792 mm×960 mm×3 mm（高×寬×厚），馬賽克控制盤面外形包絡(luò)尺寸為600 mm×960 mm×3 mm（高×寬×厚）。盤臺框架采用60 mm×60 mm×4 mm的Q235B矩管焊接而成，外表面焊接材料為Q235B的鈑金蒙皮，基于三維模型建立的后備盤臺的有限元模型如圖1b所示。為了節(jié)省計(jì)算資源，需對有限元模型進(jìn)行簡化處理：焊接框架采用梁單元，底板、頂板、馬賽克盤面采用殼單元，并對零部件設(shè)置相應(yīng)的截面屬性和形式。在盤臺的前后門和內(nèi)部結(jié)構(gòu)件相應(yīng)位置設(shè)置參考點(diǎn)，對參考點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的質(zhì)量值，并將參考點(diǎn)與梁單元耦合，以模擬相應(yīng)配置的重量，得到有限元模型質(zhì)量為710.5 kg。結(jié)構(gòu)之間的焊接和螺接簡化為固定約束，并約束盤臺底部所有方向自由度。部件網(wǎng)格特征見表1，材料參數(shù)見表2。

2反應(yīng)譜分析結(jié)果及討論

2.1模態(tài)分析

后備盤臺模型的前10階自然頻率分布如圖2所示。如圖可見，盤臺的前10階模態(tài)頻率與振型相對獨(dú)立，不存在相鄰自然頻率非常接近的現(xiàn)象，這在一定程度上避免了模態(tài)集中可能存在的振動放大等問題。對后備盤臺的前三階模態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示，后備盤臺在底部約束狀態(tài)下的第一階模態(tài)振型表現(xiàn)為后備盤臺整體沿Y向（橫向）的偏擺運(yùn)動，頻率為13.656 Hz；第二階模態(tài)振型是后備盤臺整體沿X向（縱向）的偏擺運(yùn)動，頻率為28.234 Hz；第三階模態(tài)頻率為35.704 Hz，模態(tài)陣型表現(xiàn)為盤臺框架整體沿X向的偏擺運(yùn)動

考慮到后備盤臺所在地區(qū)地震反應(yīng)譜的幅值放大區(qū)域通常集中在2～10 Hz（張家倍等，2013），故盤臺的自然頻率不在地震幅值的放大區(qū)域，即后備盤臺能夠較好地避開地震反應(yīng)譜的響應(yīng)放大區(qū)，因此初步判定盤臺具有一定的抗震安全裕度。

2.2反應(yīng)譜分析

考慮到在后續(xù)實(shí)際試驗(yàn)過程中，后備盤臺需要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行5次運(yùn)行基準(zhǔn)地震（Operating Basis Earthquake，簡稱OBE）試驗(yàn)和1次安全停堆地震（Safe Shutdown Eathquake，簡稱SSE）試驗(yàn)（阻尼比取5%）（核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備抗震鑒定，GB/T 13625-92），由于SSE地震反應(yīng)譜在3個方向的信號均能包絡(luò)OBE的反應(yīng)譜，因此在仿真中以SSE作為地震反應(yīng)譜計(jì)算的輸入。圖4為OBE和SSE在阻尼比為5%時(shí)3個方向的地震反

應(yīng)譜曲線，包絡(luò)譜最大的放大倍數(shù)為1.2，采用反應(yīng)譜分析法中的平方和開平方根（Square Root of the Sum of Squares，簡稱SRSS）對盤臺在地震作用下的反應(yīng)進(jìn)行分析（劉明星等，2021），計(jì)算結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯髠浔P臺在地震載荷作用下，受到的最大Mises應(yīng)力為91.89 MPa，位于馬賽克顯示盤面左下角；后備盤臺框架的最大Mises應(yīng)力為74.83 MPa，位于中間橫梁兩端。這是由于地震信號放大區(qū)在2～10 Hz，靠近盤臺的第一階自然頻率為13.656 Hz，而后備盤臺的第一階模態(tài)表現(xiàn)為沿Y向的左右偏擺運(yùn)動，同時(shí)由于后備盤臺前側(cè)突出，使得整體重心前移，因此馬賽克盤面左右兩端以及框架中間橫梁左右兩端承受較大的壓力，導(dǎo)致該處應(yīng)力最大，但該最大應(yīng)力值小于馬賽克材料（塑料）的屈服極限125 MPa，考慮到后備盤臺一階固有頻率不在地震幅值的放大區(qū)域，因此在該地震動作用下，后備盤臺具有較好的抗震能力，不會出現(xiàn)塑性變形和開裂等現(xiàn)象。盤臺的最大位移出現(xiàn)在其頂部區(qū)域，最大位移值為3.96 mm，這也是盤臺在地震動作用下第一階模態(tài)特性導(dǎo)致的，該位移值相對較小，進(jìn)一步證明盤臺具有良好的抗震性能。

3時(shí)程分析

3.1時(shí)程分析原理

3.2時(shí)程輸入信號

3.3時(shí)程分析結(jié)果

分別將3個方向的SSE時(shí)程曲線加載到模型上，并在有限元模型上建立如圖7所示的5個測試點(diǎn)，所建立的測試點(diǎn)與后續(xù)試驗(yàn)中加速度計(jì)安裝位置基本保持一致。計(jì)算得到各觀測位置的加速度時(shí)程如圖8所示，提取得到各測試點(diǎn)的最大加速度幅值見表4?？梢钥闯觯駝优_面上的觀測點(diǎn)在3個方向的振動幅值均是最低的，這時(shí)由于盤臺底部測點(diǎn)距離振動臺面較為接近，因此盤臺底部的振動幅值相較于振動臺面基本無明顯增大。

在X方向上，地面振動經(jīng)過放大傳遞達(dá)到盤臺的重心，隨后傳至顯示屏和頂板?？梢婋S著振動信號向上傳遞，振動加速度幅值逐漸增大，最大加速度幅值（F4點(diǎn)處）為地面振動加速度幅值（F1點(diǎn)處）的2倍。在Y方向上，結(jié)構(gòu)的振動強(qiáng)度相較其他方向明顯增大，且隨著高度增加，振動信號幅值具有一個先增大后減小的過程，頂部F4最大加速度幅值為4.46 g，為地面振動加速度幅值的2倍，而F5測試點(diǎn)振動幅值甚至達(dá)到了5.22 g，為地面加速度幅值的2.34倍。這是由于馬賽克材料整體剛度較低，而顯示屏質(zhì)量大，在外部振動信號激勵作用下，馬賽克顯示屏上的振動信號放大顯著。相比之下，盤臺結(jié)構(gòu)在Z向上的振動放大非常微弱，這也說明地震動在垂直方向?qū)髠浔P臺的影響相對較弱。因此，縱向運(yùn)動和橫向運(yùn)動對后備盤臺的振動響應(yīng)影響較大，其中抑制橫向運(yùn)動是改善結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵。

由于馬賽克顯示盤面F5測試點(diǎn)區(qū)域上裝有監(jiān)視和控制的關(guān)鍵儀控設(shè)備，故選取F5測試點(diǎn)的振動加速度信號進(jìn)行時(shí)頻分析，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，X向的能量峰值出現(xiàn)在2～3 Hz，在6 s時(shí)存在較為明顯的能量峰值，隨著地震動的持續(xù)作用，結(jié)構(gòu)響應(yīng)在23～26 s出現(xiàn)了持續(xù)的高強(qiáng)度振動；相比之下，在Y向上則出現(xiàn)了兩個明顯的高強(qiáng)度振動頻率：2～3 Hz和13～14 Hz，對應(yīng)的時(shí)間段分別為11～14 s和26～27 s；Z向的能量峰值也出現(xiàn)在2～3 Hz，結(jié)構(gòu)在6～7 s時(shí)出現(xiàn)了明顯的振動能量集中，且在16～20 s處達(dá)到第二個峰值。

3個方向的能量峰值均主要位于2～3 Hz，但出現(xiàn)的時(shí)間段相互錯開，對比圖4可以看到，2～3 Hz正是響應(yīng)譜曲線開始出現(xiàn)波峰的頻率。X向和Z向的能量峰值基本相同，Y向能量峰值超過X向和Z向的2倍，因此時(shí)頻圖能量峰值與響應(yīng)譜曲線波峰成正相關(guān)。

馬賽克顯示盤面上包括顯示屏在內(nèi)的關(guān)鍵儀控設(shè)備安裝位置如圖10所示，其中圓點(diǎn)為相應(yīng)設(shè)備的振動加速度觀測點(diǎn)。對馬賽克顯示盤面上各個關(guān)鍵儀控設(shè)備位置點(diǎn)的振動加速度幅值進(jìn)行小波變換，得到的時(shí)頻圖與F5的時(shí)頻圖基本一致。雖然各個點(diǎn)在時(shí)域上的振動加速度幅值大小不一，但是經(jīng)過小波變換得到各點(diǎn)同一方向時(shí)頻圖的能量峰值在量級、時(shí)間段和頻率基本一致，即不同點(diǎn)在同一方向上具有相同的能量趨勢，因此在安裝馬賽克顯示盤面上的關(guān)鍵儀控設(shè)備時(shí)，應(yīng)著重考慮設(shè)備Y向的抗振能力，并根據(jù)設(shè)備本身的抗震特性選擇合適的安裝位置。

4地震試驗(yàn)分析

4.1試驗(yàn)流程與設(shè)備

依據(jù)《核設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)指南》（HAF·J0053）等相關(guān)鑒定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，開展后備盤臺的地震相關(guān)試驗(yàn)研究。地震試驗(yàn)在最大可承載60 t的6 m×6 m大型高性能地震模擬試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)臺水平向最大位移分別為±150 mm和±100 mm，滿載最大加速度分別為1.0 g和0.8 g，地震輸入頻率范圍為0.1～100 Hz。試驗(yàn)中采用Kistler公司生產(chǎn)的8395M06型加速度計(jì)測量臺面和被試設(shè)備上的運(yùn)動加速度，使用LMS數(shù)據(jù)采集儀采集加速度數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)首先需搭建測試環(huán)境及安裝盤臺。目視檢查盤臺結(jié)構(gòu)完整后，將盤臺焊接到底座鋼板上，底座鋼板與地震試驗(yàn)臺通過M30地腳螺栓螺栓剛性連接。地震試驗(yàn)環(huán)境搭建如圖11所示。在盤臺的底部、重心、頂部、顯示屏以及地震臺臺面分

4.2試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1試驗(yàn)前動態(tài)特性分析

在后備盤臺的3個正交軸向輸入加速度幅值為0.2 g的白噪聲信號進(jìn)行掃頻，掃頻范圍為1～100 Hz，掃頻速率為1 oct/min，持續(xù)時(shí)間為120 s，試驗(yàn)前動態(tài)特性不考慮盤臺結(jié)構(gòu)的非線性，掃頻獲得設(shè)備的固有頻率和阻尼比結(jié)果如圖13所示。由圖可以看出，后備盤臺的X向一階固有頻率為27.20 Hz，阻尼比為14.37%；Y向一階固有頻率為13.60 Hz，阻尼比為4.26%；Z向一階固有頻率大于100 Hz。對比圖2中有限元仿真結(jié)果，相對誤差見表5，可以看到仿真與試驗(yàn)的前兩階模態(tài)頻率非常接近。

4.2.2地震試驗(yàn)結(jié)果分析

地震試驗(yàn)在控制室盤臺樣機(jī)的3個正交軸向同時(shí)進(jìn)行激振，5次OBE和1次SSE地震試驗(yàn)的輸入時(shí)程信號如圖8所示。表6列出相關(guān)地震工況下試驗(yàn)臺面響應(yīng)時(shí)程信號與輸入時(shí)程信號之間的相關(guān)系數(shù)，可以看到相關(guān)系數(shù)均接近于1，即地震臺的信號能夠很好地模擬要求的加速度信號

4.2.3試驗(yàn)后動態(tài)特性分析

SSE地震試驗(yàn)后，采用白噪聲對該盤臺進(jìn)行動態(tài)特性檢查。對比盤臺試驗(yàn)前、后各方向的一階固有頻率及對應(yīng)阻尼比（表8），可見試驗(yàn)后3個方向固有頻率均無明顯變化。盤臺整體結(jié)構(gòu)無變形和破裂，各個連接件無松動和脫落，被試控制室盤臺樣機(jī)地震試驗(yàn)合格，從而證明本次研究設(shè)計(jì)的盤臺具有良好的抗震性能。

5結(jié)論

本文通過對核級控制室后備盤臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析和地震試驗(yàn)分析，采集并分析盤臺的動態(tài)特性，得到如下主要結(jié)論：

（1）后備盤臺有限元模型的一階模態(tài)振型為Y向的左右偏擺運(yùn)動，頻率為13.656 Hz。反應(yīng)譜分析獲得結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力為91.89 MPa，位于馬賽克顯示盤面左下角，小于塑料的最大屈服極限，因此盤臺具備較好的抗震能力。

（2）隨著測試點(diǎn)高度的增加，振動幅值逐步增大，Y向上的振動加速度幅值增益最為顯著，后備盤臺顯示屏處的振動幅值為地面振動幅值的2.34倍，抑制后備盤臺橫向運(yùn)動是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵。

（3）馬賽克顯示盤面上同一點(diǎn)中3個方向的能量峰值均主要位于2～3 Hz，但錯開了出現(xiàn)的時(shí)間段，X向和Z向的能量峰值基本相同，Y向能量峰值超過縱向X向和Z向的2倍。不同測試點(diǎn)在同一方向上的時(shí)頻圖的能量峰值在量級、時(shí)間段和頻率基本一致。

（4）仿真和試驗(yàn)的振動加速度最大值能夠很好地對應(yīng)。仿真結(jié)果能夠很好地預(yù)測后備盤臺結(jié)構(gòu)在地震動工況下的振動特性，試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)了仿真結(jié)果的正確性，驗(yàn)證了盤臺結(jié)構(gòu)的抗震性能。

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Seismic Response Analysis and Qualification Test

of a Nuclear-grade Back-up Panel

HU Lihong1，WANG Dongwei2，Guo Tao1

（1.Sichuan Xingshidai Intelligent Satellite Technology Co.，Ltd.Manufacturing Innovation Center，

Chengdu 610041，Sichuan，China）

（2.Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China，

Chengdu 610213，Sichuan，China）

Abstract

Both the numerical analysis and seismic qualification test of the response characteristics of the back-up panel（BUP）in the control room of the nuclear power plant subjected to the earthquake are carried out.The response-spectrum analysis shows that the maximum Mises stress of the BUP is 91.89 MPa，less than the maximum yield limit stress of structural material.Thus，the BUP has ideal aseismic performance.The time-history analysis shows that with the increase of the structures height，the maximum response of the structure gradually increases，and the vibration amplitude in the lateral direction is the most obvious.Further，time-frequency analysis of the vibration signals in the installation area of the display screen is carried out，revealing that the peak energy in three directions at the same point is mainly located in 2-3 Hz，but the time interval is deferent.The lateral peak energy is about 2 times of the longitudinal and vertical ones.The seismic test and analysis show that with the increase of the height，the amplitude of the vibration acceleration increases gradually，and the vibration signal amplification in the lateral direction is the most significant.Therefore，inhibiting the lateral movement of the BUP is the key to improving the aseismic performance of the structure.After the seismic test，the overall structure of the BUP has no visible deformation or rupture，and the connectors do not loosen or fall off，suggesting that the BUP has passed the seismic test.

Keywords：nuclear power；back-up panel；aseismic；qualification test