徐卫锋，李彬彬，2，刘 博，王社良，李一凡，贾亮卫，赵青云

（1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055；2.西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，陕西 西安 710055；3.中铁二十局集团有限公司，陕西 西安 710016）

引言

地震作为一种极具破坏性且难以预测的自然灾害，若对核电站造成破坏并导致放射性物质泄露，后果不堪设想，因此保证核电站重要结构及设备在地震作用下的安全运行，具有特殊的重要性。对于核电站重要结构及设备的设计必须满足相关抗震设计规范外，振动台试验技术作为一种目前广泛应用于模拟地震的试验方法，被相关规范作为重要核电设备鉴定流程中必须执行的一个环节［1－5］。

关于核电设备的振动台试验已有不少的研究，洪峰等［6］对IS 型单级单吸清水离心泵进行了动力特性测试和振动台试验；SUNG 等［7］对核电站机柜进行振动台试验，观察到随着激振水平的增加，柜体的动刚度减小，并建立了核电站机柜非线性地震反应分析的简化模型；施卫星等［8］、刘凯燕等［9］和王梁坤等［10］分别对核电厂循环风机、消氢风机、1E级应急柴油发电机油泵和出线盒进行了振动台试验研究，试验包括首末两次白噪声扫频和5 次运行基准地震（Operating Basis Earthquake，OBE）以及1 次安全停堆地震（Safe Shutdown Earthquake，SSE），讨论了试验输入人工地震动的要求，且试验的设备均通过抗震考核试验，抗震性能良好；高永武等［11］对某核级一次水事故泵进行5 次OBE 和1 次SSE 三维人造地震动输入振动台试验，试验前后设备的完整性及功能的可运行性表现正常，抗震性能良好。

目前核电设备振动台试验研究，基本都是将核电设备与振动台台面刚性连接，而现实中存在核电设备通过专用膨胀螺栓悬挂固定于剪力墙上，两者动力相互作用更为复杂，设备的地震响应难以预测，但考虑不同现实固定条件的核电设备振动台试验研究基本没有。因此，研究考虑不同固定条件的核电设备多维地震响应，对核电设备抗震设计以及核电站安全运行有着重要意义。

本文振动台试验为模拟核电设备在真实环境下不同的固定条件：一种将设备直接与振动台相连；另一种采用核电站中专用的膨胀螺栓将核电设备悬挂固定于剪力墙，剪力墙再与振动台螺栓连接，共进行5 次OBE 和1 次SSE 工况下动力时程激振，以及试验首末的2 次动力特性测试，分析不同固定条件的核电设备在各试验工况下的多维地震响应，比较试验前后设备的损伤情况，并对试验的核电设备抗震性能进行评价。

1 试验设备及对象

1.1 试验设备

试验采用西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室的MTS 三维六自由度地震模拟振动台试验系统。该振动台台面尺寸4.1 m×4.1 m，满负荷下最大试件重量30 t，试验频率0.1～100 Hz；最大位移为水平X 向±15 cm、水平Y 向±25 cm 和竖向±10 cm；最大加速度（空载）为水平X 向4.0 g、水平Y 向3.8 g和竖向Z 向6.0 g。数据采集采用LMS Test Lab 智能动态信号采集分析仪，通道数为128，加速度传感器使用PCB 型加速度传感器，其频响为0.5～100 Hz。

1.2 试验对象及安装

试验的两台核电设备样机为核电站某型号的原型配电箱：1 号配电箱通过刚性过渡板用M25 的螺栓和振动台连接，模拟核电设备与核电站墙体刚性连接；2 号配电箱通过核电专用膨胀螺栓悬挂固定于剪力墙上，剪力墙再通过预留孔洞与振动台螺栓连接，模拟现实环境下设备悬挂于核电站结构墙体的情况。两台核电设备与主体结构的固定条件不同：1 号配电箱的固定条件可视为设备与主体结构刚性连接；2 号配电箱的固定条件可视为设备与主体结构非刚性连接。试验中与设备相连的支承结构是混凝土等级为C40，主筋为HRB400，箍筋为HPB235的剪力墙。试验对象安装和固定后如图1所示。

图1 安装及固定后的试验对象Fig.1 Test object after installation and fixation

1.3 测点布置及坐标轴规定

根据规范及试验大纲对核电设备抗震试验的要求和试验方法［1－3］，在振动台台面和样机上共布置了3 个加速度测点分别记为A1、A2 和A3，其中：A1 测点布置在振动台的台面上，主要测试台面的地震输入情况；A2 测点布置在1 号配电箱并且A3 测点布置在2 号配电箱，这两个加速度测点布置在样机地震反应的关键部位，高度基本相同，主要测试样机的地震反应情况。3个测点均包含有X、Y 和Z三个方向分量，故共布置了9个PCB 型加速度传感器。具体测点位置以及坐标轴规定，如图2所示。

图2 加速度测点布置及坐标轴示意图Fig.2 Layout of acceleration measuring points and schematic diagram of coordinate axis

2 试验方法和步骤

2.1 试验对象动力特性测定

振动台试验首先对试验设备进行第一次动力特性测试，随后进行5次OBE 和1次SSE 抗震考核试验，最后再进行第二次动力特性测试，其中：动力特性测试试验采用频率范围为0.5～100 Hz、加速度幅值为0.2 g的白噪声随机波，并且在设备的X、Y和Z三个方向同时进行激励，以测定试验对象的动力特性。

2.2 抗震性能考核试验

在抗震性能考核试验中：试验输入的地震波是根据设计方提供的楼层反应谱，先作出需求反应谱RRS（Required Response Spectrum，RRS），再进行转化计算生成人工地震波，将该人工地震波作为振动台输入信号进行抗震试验。根据试验大纲及相关标准的规定，生成的试验人工地震波响应谱TRS（Test Response Spectrum）应包络需求谱RRS。振动台试验研究不同固定条件的核电设备多维地震响应情况，故在X、Y 和Z 三正交轴方向同时输入人工地震波进行激励振动，为确保输入人工地震波的相互独立，其相干函数的平均值应小于0.5，相关函数的绝对值小于0.3［3］。人工地震波的阻尼比取5%，该次试验OBE 工况的谱值为SSE工况的80%。SSE工况输入的人工地震波时程曲线、加速度反应谱和相关函数图，如图3所示。

图3 SSE抗震试验的人工地震波（时程曲线、反应谱和相关函数图）Fig.3 Artificial earthquake wave under seismic tests of SSE（time-history curve、response spectrum and correlation function diagram）

在该次抗震性能考核试验中：试验输入的人工地震波强震持续时间30 s，人工地震波的响应谱TRS能较好包络需求反应谱RRS，满足规范要求。输入的三向人工地震波，两两之间相关函数的绝对值均小于0.2，满足规范绝对值小于0.3的要求。

2.3 功能监测与目视检查

在抗震性能考核试验过程中：需要对配电箱工作状态进行监测，监测系统及部件的功能运行是否正常。在抗震性能考核试验过程中及试验后，还需目视检查被试设备结构的完整性；结构件不应有裂纹；螺栓、螺母不应有松动和脱落；电气部件不应有松动等不正常现象。

3 试验结果

3.1 设备与结构的动力特性

在X、Y 和Z 三正交轴方向采用白噪声波进行激励，测得设备的自振频率和阻尼比。以A3 测点X 方向第一次白噪声工况为例，利用Matlab 计算传递函数，得到幅频曲线及相频曲线，如图4 所示，然后通过半功率法计算阻尼比［12－13］。该次试验设备的自振频率和阻尼比，见表1。

图4 A3测点X方向的幅频和相频曲线Fig.4 Amplitude frequency and phase frequency curves of A3 measuring point in the X direction

在抗震试验结束后，进行第二次白噪声波激励，根据数据计算结果，发现与表1的数值差别不大，可认为试验前后核电设备基本无损伤。

表1 设备的自振频率和阻尼比Table 1 Natural frequencies and damping ratios of equipment along three directions

3.2 动力响应

由于篇幅限制，仅给出SSE工况下A3测点三个方向的加速度响应时程曲线，如图5 所示。通过加速度时程曲线，获得各测点在5 次OBE 和1 次SSE 工况下的加速度峰值见表2。

图5 SSE工况下A3测点响应时程曲线Fig.5 Time history responses of A3 measuring point along three directions under SSE

表2 各测点加速度峰值Table 1 Maximum accelerations of measuring points

从表中可知：设备在5次OBE 工况的加速度峰值基本接近，而SSE 工况下的峰值均大于OBE 工况，且最大值为2号配电箱Y 方向峰值3.10 g，地震响应强烈。固定于台面的1号配电箱各工况各方向的峰值均与振动台台面峰值接近，表明两者的动力响应基本一致，该种固定条件没有放大加速度峰值；而2 号配电箱的加速度峰值均远大于各工况各方向下台面的加速度峰值，说明通过膨胀螺栓悬挂固定于剪力墙再与振动台连接的固定条件，放大了加速度峰值。2号配电箱与1号配电箱直接相比，加速度峰值也显著增大。试验结果表明：不同固定条件的核电设备在地震作用时将呈现不同的多维地震响应，且悬挂固定于支撑结构再与台面相连的核电设备多维地震响应将更为强烈。

3.3 反应谱特性和动力放大系数

以SSE 工况为例，计算得到设备三方向的加速度反应谱，如图6 所示。从图中可知：在三个方向上，A2测点与A1 测点的谱峰值及谱形状都基本一致，表明1 号配电箱与台面输入地震波的谱特性基本相同，该种固定条件没有改变谱特性。然而，A3测点与A1测点的三方向谱形状差异较大，A3测点谱峰值远大于A1测点，且谱峰值有明显的滞后现象，表明2号配电箱通过膨胀螺栓悬挂固定于剪力墙再与振动台连接的固定条件，改变了部分谱特性，原因可能是输入的地震波部分频谱特性通过剪力墙及膨胀螺栓传递到核电设备时已经发生改变，产生了峰值放大以及峰值滞后的现象。试验结果表明：核电设备的不同固定条件会影响其反应谱特性，且与台面输入地震波的反应谱可能相似也可能存在较大差异，如果将振动台类比为某一核电站主体结构，则核电设备的谱特性是否与楼层反应谱一致取决于设备的固定条件能否真正实现设备与主体结构的刚性连接。

图6 SSE工况下各测点加速度反应谱Fig.6 Response spectrum of measuring points under SSE

定义动力放大系数为设备的绝对加速度最大值除以台面输入地震波的加速度峰值，得到设备各工况下的动力放大系数并进行比较，如图7 所示。从图中可知：A2 测点三个方向的动力放大系数均为1 左右，表明1号配电箱几乎与振动台作刚体平动，该种设备固定条件无放大效应；A3测点在所有试验工况下X方向和Y方向的动力放大系数数值在2 左右波动，Z 方向在1.4 左右波动，表明通过膨胀螺栓悬挂固定于剪力墙再与振动台连接的固定条件，具有显著的动力放大效应，致使核电设备在地震作用时承受更大的地震作用力，因此，对此类固定条件的核电设备，在产品设计及固定时要充分考虑放大效应，以提高设备的抗震韧性。

图7 各测点在OBE和SSE工况下动力放大系数Fig.7 Dynamic amplification factor of measuring point under OBE and SSE

3.4 其他指标

通过功能监测，发现设备在试验过程中及结束，工作状态正常，各项功能指标没有变化。通过检查发现：1号配电箱与与台面连接的螺栓、螺母无松动、脱落，2号配电箱与剪力墙连接处的膨胀螺栓没有松动，周围无裂缝。设备及结构均无裂纹，也没有任何损伤及变形，结构完整性好。

4 结论

本文研究考虑不同固定条件的核电设备多维地震响应：一种将设备直接与振动台相连；另一种采用核电站中专用的膨胀螺栓将核电设备悬挂固定于剪力墙，剪力墙再与振动台螺栓连接，进行了试验首末两次动力特性测试，以及5次OBE和1次SSE抗震试验，得到以下结论：

（1）通过动力特性测试，得到核电设备自振频率和阻尼比等动力特性。比较试验首末两次动力特性测试结果，发现动力特性基本没有改变，认为核电设备基本无损伤。

（2）对5 次OBE 和1 次SSE 工况下核电设备的动力响应分析，结果表明：不同固定条件的核电设备在地震作用时将呈现不同的多维地震响应，且悬挂固定于支撑结构再与振动台相连的固定条件，放大了核电设备地震响应的加速度峰值，地震作用时此类固定条件将使核电设备多维地震响应更为强烈。

（3）通过反应谱特性和动力放大系数分析，试验中将设备与振动台刚接的固定条件，没有改变反应谱特性，而通过膨胀螺栓悬挂于剪力墙再与振动台连接的固定条件，致使谱特性发生谱峰值增大和滞后，谱形状改变，表明不同固定条件会影响核电设备反应谱特性；试验中与振动台刚接的固定条件，动力放大系数基本为1，并未使核电设备产生动力放大效应，而通过膨胀螺栓悬挂固定于剪力墙再与振动台连接的固定条件，具有显著的动力放大效应，致使核电设备在地震作用时将承受更大的地震作用力，因此，对此类固定条件的核电设备，在产品设计及固定时要充分考虑放大效应，以提高设备的抗震韧性。

（4）抗震试验前后，核电设备功能运行正常，螺栓、螺母无松动和脱落，连接处的膨胀螺栓没有松动，周围无裂缝。核电设备结构完整性好，抗震性能满足要求，且两种核电设备固定条件均通过抗震考核。