18-5临界装置厂房楼层响应谱计算研究

黄文慧 陈学德

（中国核动力研究设计院 成都 610041）

18-5临界装置厂房楼层响应谱计算研究

黄文慧 陈学德

（中国核动力研究设计院 成都 610041）

根据18-5临界装置某机柜抗震试验分析的要求，利用ANSYS大型通用有限元程序，建立临界装置厂房结构的有限元模型。在其地基处输入给定的位移时程，对结构进行动力分析，计算得到厂房结构中机柜位置处的位移时程、加速度时程等力学量。用该关键位置处的加速度时程计算其相应的加速度响应谱，分别给出了运行基准地震(OBE)和安全停堆地震(SSE)作用下该厂房标高3.50 m主控制室位置处阻尼比为2%、4%、5%和7%的楼层响应谱。

楼层响应谱，位移时程，加速度时程，运行基准地震，安全停堆地震

根据中国核动力研究设计院18-5临界装置安全评审的要求，需对该堆某型机柜进行抗震试验。该机柜位于18-5临界装置厂房结构标高3.5 m的主控制室内。由于缺少该厂房结构标高3.5 m的主控制室相应位置处的地震载荷谱，需开展18-5临界装置厂房结构楼层响应谱计算。目的是提供在OBE、SSE两种地震载荷工况下，厂房结构3.5 m标高主控制室处的楼层响应谱。

1 厂房结构

需要做抗震试验的机柜位于18-5临界装置厂房一层平面的主控制室内，与该主控制室相关联的厂房结构从整体上可分为与该主控制室同侧的砖砌体结构和另一侧的屏蔽墙混凝土结构两大部分。砖砌体结构共分为三层，包括地下室、一层以及二层，以地下室地面高度为0标高，一层平面地板高度约为3.5 m，二层平面地板高度约为7 m，二层平面楼顶高度约为10.5 m，其中地下室结构长约32.9 m，宽约5.7 m，一层及二层结构长约18 m，宽约5.7 m，图1为厂房地下室平面示意图。屏蔽墙混凝土结构长约18 m，宽约10.9 m，高约15 m。一层平面的主控制室内放置若干机柜，这些机柜总重约1.2 t；主控制室右边的实验室内放置电源柜、电气控制柜以及不间断电源等，总重约0.8 t；屏蔽墙混凝土结构内高约12 m处安装有吊车，重量约5.6 t。

2 材料特性

组成厂房结构的砖砌体结构、混凝土结构的物理特性见表1。

图1 厂房地下室结构图Fig.1 Structure overview of building basement.

表1 厂房结构材料物理特性Table 1 Material properties of building.

3 有限元仿真计算

3.1有限元模型

根据厂房结构的具体结构形式，在一定简化的基础上，计算时对该结构进行了下列模拟：1) 所有墙体、楼板等均采用SHELL63单元来模拟[1]；2) 主控制室内机柜、实验室内电源柜、电气控制柜以及屏蔽墙混凝土结构内吊车等主要装置仅考虑其质量，采用MASS21质量元模拟。

边界条件：约束地下室地基墙体的所有自由度。具体有限元模型见图2。

图2 厂房结构有限元模型Fig.2 Finite element model of building.

3.2计算载荷

分析中采用我国1997年颁布的《核电厂抗震设计规范》[2]给出的硬土场地的水平向和竖向标准反应谱，并按实际场地水平OBE加速度值0.1 g和水平SSE加速度值0.2 g进行标定，竖向设计加速度峰值采用水平向设计加速度峰值的2/3。取阻尼比2%所对应的谱值作为OBE地震输入谱，阻尼比4%所对应的谱值作为SSE地震输入谱，具体使用的水平向地震响应谱和垂向响应谱见表2和表3。在对厂房结构进行动力分析计算前，采用专用的谱转时程程序将表2、表3所示的加速度谱转为与其相对应的位移时程，以位移时程作为输入载荷。在OBE楼板响应谱计算时，厂房结构的阻尼值取5%，在SSE楼板响应谱计算时，厂房结构的阻尼值取7%。

表2 水平方向加速度谱值Table 2 Horizontal acceleration spectrum value.

表3 垂直方向加速度谱值Table 3 Vertical acceleration spectrum value.

4 模态分析

模态分析结果列于表4。第2阶Z方向参与质量最大，第5阶Y方向参与质量最大，第21阶X方向参与质量最大。

表4 厂房固有频率Table 4 Inherence frequence of the building.

5 动力响应计算结果

利用线弹性瞬态动力时程分析方法，输入厂房结构安装位置处的位移时程，采用ANSYS有限元计算程序，计算结构在地震作用下的动力响应。OBE地震作用下机柜位置3.50 m处的X方向加速度时程见图3，SSE地震作用下机柜位置3.50 m处的X方向加速度时程见图4。

图3 OBE地震作用下标高3.50 m处X方向加速度时程Fig.3 Acceleration time history at the height of 3.50 m under load OBE.

图4 SSE地震作用下标高3.50 m处X方向加速度时程Fig.4 Acceleration time history at the height of 3.50 m under load SSE.

6 楼层响应谱计算结果

用动力分析计算得到的关键标高位置处的加速度时程计算其相应的楼层响应谱。在计算楼层响应谱时，频率间隔根据核电厂抗震设计规范的规定选取，并将计算所得楼层响应谱按照ASME规范[3]的相关规定进行了拓宽，与结构频率相关的峰值拓宽量△fj取为0.15fj，拓宽后的OBE地震作用下标高3.50m处X方向的谱曲线见图5；SSE地震作用下标高3.50 m处X方向的加速度谱曲线见图6。

图5 OBE地震作用下标高3.50 m处X方向加速度谱Fig.5 Acceleration spectrum at the height of 3.50 m under load OBE.

图6 SSE地震作用下标高3.50 m处X方向加速度谱Fig.6 Acceleration spectrum at the height of 3.50 m under load SSE.

7 楼层响应谱与基础谱的对比分析

将楼层响应谱的加速度谱值与基础谱的加速度谱值进行对比分析，其中OBE、SSE地震作用下标高3.50 m处X方向的对比曲线分别如图7所示。通过对楼层响应谱的加速度谱值与基础加速度谱值的分析比较，可得到如下结论：

1) OBE地震作用下，阻尼比为2%时3.50 m处水平X方向峰值加速度为5.48 m·s−2，零周期加速度为1.60 m·s−2，与基础的相应加速度谱值相比分别放大了1.31倍、1.63倍；水平Z方向峰值加速度为5.25 m·s−2，零周期加速度为1.71 m·s−2，与基础的相应加速度谱值相比分别放大了1.26倍、1.74倍；垂直Y方向峰值加速度为4.21 m·s−2，零周期加速度为1.06 m·s−2，与基础的相应加速度谱值相比分别放大了1.49倍、1.61倍；

2) SSE地震作用下，阻尼比为4%时3.50 m处水平X方向峰值加速度为7.84 m·s−2，零周期加速度为2.94 m·s−2，与基础的相应加速度谱值相比分别放大了1.19倍、1.50倍；水平Z方向峰值加速度为7.68 m·s−2，零周期加速度为4.00 m·s−2，与基础的相应加速度谱值相比分别放大了1.16倍、2.04倍；垂直Y方向峰值加速度为5.98 m·s−2，零周期加速度为2.50 m·s−2，与基础的相应加速度谱值相比分别放大了1.40倍、1.91倍。

图7 OBE(a)和SSE(b)地震作用下标高3.50 m处X方向加速度谱值与基础处水平方向加速度谱值的对比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 结语

通过对18-5临界装置厂房结构的详细动力分析计算，分别获得了OBE、SSE地震工况下关键位置处的加速度时程，然后将该加速度时程转为相应的加速度谱，并通过对比分析，本次计算获得的楼层响应谱放大因子是合理的，本次计算分析所获得的关键位置处楼层响应谱可以作为位于主控制室内的机柜抗震试验的输入。

1 ANSYS program user manual[Z]

2 国家地震局, 核电厂抗震设计规范[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

黄文慧，女，1978年出生，2007年于中国核动力研究设计院获硕士学位，副研究员，研究方向为反应堆结构力学

2012-10-31，

2012-11-30

CLC TL364