某核電站主控室局部隔振分析

付愛群，丁志新，湯麗芳

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳518172)

1 概 述

主控室是核電廠的集中監(jiān)控中心，鑒于主控室的特殊功能，在實現(xiàn)監(jiān)控功能的同時，要盡可能地為操作人員提供舒適的工作環(huán)境. 某核電廠的主控室位于核島廠房內(nèi)部較高樓層處，周邊設(shè)備正常運(yùn)行產(chǎn)生的噪音及振動對主控室工作環(huán)境產(chǎn)生較大影響，且其布置位置較高，地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)比較大，對安裝在其上的設(shè)備要求較高. 因此，為提高主控室的舒適性及降低地震作用對設(shè)備的影響，需對主控室進(jìn)行隔振處理［1］.

隔振是采用特殊裝置來隔離地面或樓面振動對其上部結(jié)構(gòu)及設(shè)備、設(shè)施影響的一項技術(shù).振動的能量大部分由基礎(chǔ)隔振支座和消能裝置吸收，從而使上部結(jié)構(gòu)和設(shè)施減少振動的影響，以保證結(jié)構(gòu)物上的重要設(shè)備及儀表的正常運(yùn)行［2］.

隔振支座類型主要有橡膠支座和彈簧支座等［3］.文中的這個項目采用的是彈簧支座隔振系統(tǒng)，利用彈簧彈性支撐來降低振動影響.注意要合理選擇彈簧剛度，避免因垂直方向柔度增大而導(dǎo)致的搖擺振動.該彈簧隔震支座系統(tǒng)可以同時設(shè)置黏滯阻尼器，用來抵抗和吸收振動的能量，限制隔振體系產(chǎn)生過大位移.

2 主控室方案

該核電廠主控室位于核島安全廠房16.3 m 標(biāo)高樓板處，采用“房中房”的設(shè)計方案:即將主控室的設(shè)備置于一個與核島廠房相對獨立的一個鋼結(jié)構(gòu)廠房內(nèi)，通過鋼結(jié)構(gòu)下部的隔振支座與安全廠房16.3 m 樓板相連，整個主控室鋼框架支撐在18 個彈簧支座上面，該方案剖面如圖1所示.彈簧支座主要由上下承托、彈簧、預(yù)應(yīng)力桿組成，隔振支座帶有黏滯阻尼器，如圖2所示.

圖1 核電廠主控室“房中房”設(shè)計方案剖面圖

圖2 彈簧支座示意圖

主控室鋼框架平面尺寸約為13.2 m×16.8 m，高為4.82 m，為周邊支撐的大跨度結(jié)構(gòu)，重約105 t.構(gòu)造上，主控室鋼框架的底板、頂板及四周側(cè)墻均用6 mm的鋼板屏蔽消音，并加設(shè)消音板. 在鋼框架底板處，采用100 mm 厚巖棉板;在鋼框架的側(cè)墻及頂板周圍，采用120 mm 厚玻璃棉板.這些建筑構(gòu)造措施的采用，降低了外部噪音對主控室的影響，提高了主控室的舒適性.

3 主控室模型的建立

采用SAP2000 軟件對上部結(jié)構(gòu)及支座進(jìn)行模擬，分析正常運(yùn)行階段結(jié)構(gòu)的響應(yīng).主控室所受的主要振動為地震作用下的樓層響應(yīng)，地震動輸入為所在廠房16.3 m 樓板反應(yīng)譜對應(yīng)的加速度時程，對其進(jìn)行線性動力時程分析，建立一個不含支座固定在樓板上的上部結(jié)構(gòu)模型，采用同樣的振動輸入，進(jìn)行比較分析.未帶阻尼支座采用“線性連接”單元模擬支座剛度，帶阻尼支座采用“線性連接”和“黏滯阻尼”單元分別模擬支座剛度及阻尼［4］. 主控室采用有阻尼支座，提供3 個方向阻尼，阻尼力與速度成正比，阻尼系數(shù)0.25. 主控室支座節(jié)點編號如圖3所示，各支座節(jié)點剛度、阻尼信息見表1.

圖3 主控室支座節(jié)點編號

表1 支座節(jié)點剛度、阻尼信息

4 計算結(jié)果分析

有、無隔振支座2 種方案模態(tài)計算結(jié)果見表2.各支座在各向地震作用下的變形量見表3.

表2 主控室模態(tài)計算結(jié)果

表3 各支座相對位移值 mm

經(jīng)分析各階模態(tài)下質(zhì)量參與系數(shù)及振動形態(tài)［5－6］知:無隔振支座方案下，因該結(jié)構(gòu)為僅在四周有支撐的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，前10 階振型均為屋面板的局部振動;增加彈簧隔振支座，合理設(shè)置阻尼器后，結(jié)構(gòu)頻率降低明顯，尤其是模態(tài)2 及后續(xù)模態(tài);振型阻尼比大大增加，主控室結(jié)構(gòu)的整體性能非常好，前3 階振型均為平動，前7 階振型X，Y，Z 3 向累計質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到了100%.由表3知，水平向地震作用下各支座變形偏移量最大偏差小于0.5%，豎向地震作用下變形偏移量最大偏差小于5%.

選取鋼結(jié)構(gòu)屋面代表性節(jié)點8，12，30，36，1948進(jìn)行研究，其地震作用下(水平向X，豎向Z)的絕對加速度及基底反力分別見表4和表5.

表4 地震作用下的絕對加速度響應(yīng) m/s2

表5 地震作用下的基底反力響應(yīng) kN

在水平地震作用下，鋼結(jié)構(gòu)屋面各點的加速度是不一致的，增加隔振支座后，屋面各節(jié)點間呈現(xiàn)出平動的特性，且水平向絕對加速度降低60%左右，水平向地震作用下結(jié)構(gòu)基底反力降低70%以上.

在豎向地震作用下，因該鋼結(jié)構(gòu)為豎向支撐的周邊布置的大跨度結(jié)構(gòu)，相比屋面周圈節(jié)點的絕對加速度降低不明顯，屋面中間節(jié)點絕對加速度降低比較明顯，越靠近屋面中心，降低幅度越大. 豎向地震作用下結(jié)構(gòu)基底反力降低30%以上.

為評價隔振效果及其對主控室設(shè)備的影響，選取支座節(jié)點278 進(jìn)行樓層反應(yīng)譜對比分析［5－6］，阻尼4%，頻率不拓寬. 樓層反應(yīng)譜如圖4和圖5所示.

從圖中可以看出:水平(X，Y 向)隔振效果很明顯，峰值加速度降低63%，零周期加速度降低38%，僅在低頻段(0.3 ～1.2 Hz)有些放大，且不明顯;豎向隔振效果沒有水平向明顯，峰值加速度降低16%，零周期加速度降低7%.

圖4 樓面水平向樓層反應(yīng)譜

圖5 樓面豎向樓層反應(yīng)譜

5 結(jié) 語

采用文中的彈簧支座與黏滯阻尼的隔振方案，水平向地震作用下隔振效果非常顯著，豎向地震作用下也有一定的隔震效果. 隔振支座、周邊鋼板、消音板及吸音棉的使用可以有效降低主控室外圍振動及噪音對主控室設(shè)備及工作人員的影響，使得主控室有個良好而獨立的工作環(huán)境.

［1］王燕.隔震技術(shù)及其在核電站中的應(yīng)用［J］.河北建筑工程學(xué)報，2004，22(1):38－41.

［2］楊光，龐定慧.隔振技術(shù)在建筑中的應(yīng)用［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2001，22(2):39－41.

［3］謝禮立，翟長海.核電工程應(yīng)用隔震技術(shù)的可行性探討［J］.地震工程與工程振動，2012，32(1):1－10.

［4］葛楠，陳海彬，谷學(xué)靜.結(jié)構(gòu)減震隔震分析與計算［M］.北京:中國電力出版社，2013.

［5］傅金華.日本抗震結(jié)構(gòu)及隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法［M］.北京:中國電力出版社，2013.

［6］北京金土木軟件公司. SAP2000 使用指南(中文版)［M］.2 版.北京:人民交通出版社，2012.