大型工業(yè)設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合體系動(dòng)力效應(yīng)分析①

(同濟(jì)大學(xué)土木工程國(guó)家重點(diǎn)防災(zāi)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

0 引 言

近年來，對(duì)于結(jié)構(gòu)-設(shè)備動(dòng)力相互作用的研究已成為結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在傳統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)模式中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與設(shè)備設(shè)計(jì)的工作間的聯(lián)系僅限于工藝上的協(xié)調(diào)[1]，隨著基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)-設(shè)備耦聯(lián)作用在核電廠抗震設(shè)計(jì)中已經(jīng)涉及[2]。然而，現(xiàn)行的修正樓面反應(yīng)譜法雖然考慮了設(shè)備和結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)力相互作用[3]，但是結(jié)構(gòu)和設(shè)備在地震作用下的真實(shí)的響應(yīng)仍與之不同。

現(xiàn)有分析結(jié)構(gòu)-設(shè)備耦合體系研究多是考慮小設(shè)備質(zhì)量的、串聯(lián)式平面結(jié)構(gòu)模型[4]。而對(duì)于大體積、大質(zhì)量且采用空間多維連接形式的核電設(shè)備，現(xiàn)有的研究成果提出的簡(jiǎn)化力學(xué)模型并不適用。通過有限元ANSYS對(duì)典型的蒸汽發(fā)生器-剪力墻復(fù)合結(jié)構(gòu)在有無設(shè)備的情況、不同頻率比的情況下進(jìn)行動(dòng)力相應(yīng)分析，研究了大質(zhì)量設(shè)備且空間連接的耦合體系的一些動(dòng)力相互作用規(guī)律。

1 工程概況及有限元建模

1.1 工程概況

AP1000是美國(guó)西屋公司開發(fā)的第三代壓水堆核電廠，AP1000主系統(tǒng)由兩個(gè)環(huán)組成，每個(gè)環(huán)路包含一臺(tái)蒸汽發(fā)生器。AP1000 蒸汽發(fā)生器為立式、倒U形管型，總高度22．46m，上筒體外徑5.6m，下筒體外徑4.4m，總重量604t。隔間土建結(jié)構(gòu)CA01尺寸為25 m×29 m×26 m。設(shè)備通過7個(gè)鉸支撐與結(jié)構(gòu)連接。

1.2 三維有限元建模

采用有限元軟件ANSYS對(duì)土建結(jié)構(gòu)和蒸汽發(fā)生器進(jìn)行建模。土建結(jié)構(gòu)鋼板混凝土采用折算彈性模量的SHELL43單元，蒸汽發(fā)生器外壁采用SHELL43單元，內(nèi)部配重采用SOILD185單元，主泵采用PIPE16單元，支撐采用LINK8單元，并對(duì)耦合體系采用CP命令進(jìn)行主子結(jié)構(gòu)耦合，有限元模型見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

1.3 輸入地震荷載

地震輸入采用典型的EL-Centro波，時(shí)間步長(zhǎng)0.01s，并根據(jù)規(guī)范GB 50267-201X中1.0SSE的設(shè)防要求將加速度峰值設(shè)置為0.3g，地震波反應(yīng)譜如圖所示圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)時(shí)程分析及結(jié)果

2.1 耦合效應(yīng)對(duì)頻率的影響

分別對(duì)土建結(jié)構(gòu)、設(shè)備(假定其支撐于剛度無限大的外部結(jié)構(gòu))以及結(jié)構(gòu)-設(shè)備偶和體系進(jìn)行模態(tài)分析，得到X、Y向前五階的自振頻率，如表1所示。結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)振型圖如圖3所示。

表1 模型結(jié)構(gòu)前五階的自振頻率

圖2 EL-Centro地震波反應(yīng)譜

分析表明：

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)備耦合動(dòng)力效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合體系自振頻率降低，其動(dòng)力相互作用對(duì)大質(zhì)量設(shè)備耦合體系自振頻率的影響表現(xiàn)為其總是低于對(duì)應(yīng)同階次的結(jié)構(gòu)與設(shè)備的自振頻率。剛性較大的結(jié)構(gòu)與較柔的設(shè)備耦合產(chǎn)生的復(fù)合體系剛度小于設(shè)備，與設(shè)備的頻率較為接近，與結(jié)構(gòu)的頻率相差在73%～34%范圍,這說明大質(zhì)量、低頻率的設(shè)備對(duì)整體動(dòng)力響應(yīng)是巨大的。

(2)設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的各階次模態(tài)的頻率均有較大的影響，表現(xiàn)為使結(jié)構(gòu)固有的自振頻率降低，并且對(duì)應(yīng)頻率越低的模態(tài)，這種影響越明顯，隨著頻率升高，這種影響對(duì)結(jié)構(gòu)固有模態(tài)的干擾越弱。

2.2 耦合效應(yīng)對(duì)地震響應(yīng)的影響

分別對(duì)土建結(jié)構(gòu)、固定于剛性支座上的設(shè)備和設(shè)備-結(jié)構(gòu)復(fù)合體系輸入X、Y雙向1.0SSE級(jí)別的地震進(jìn)行時(shí)程分析。圖4給出了復(fù)合體系和結(jié)構(gòu)在地震作用下X、Y向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)處加速度時(shí)程響應(yīng)的對(duì)比。復(fù)合體系結(jié)構(gòu)頂端X向峰值加速度0.586g，Y向0.462g；結(jié)構(gòu)模型頂端X向峰值加速度0.233g，Y向0.257g。從圖中可以看出：

圖3 設(shè)備、結(jié)構(gòu)、復(fù)合體系的一階模態(tài)

(1) 對(duì)于同樣的基底輸入，帶有大質(zhì)量設(shè)備的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)大于無設(shè)備的結(jié)構(gòu)模型。在設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)研究領(lǐng)域，這個(gè)現(xiàn)象與以往的研究對(duì)象小質(zhì)量、串聯(lián)式復(fù)合體系和工程實(shí)際多用的堆聚質(zhì)量體系不同[4]，其不會(huì)降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)而放大設(shè)備的動(dòng)力響應(yīng)，而是增大結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的同時(shí)增大設(shè)備的動(dòng)力響應(yīng)。

(2) 對(duì)于不同輸入方向的二者情況，X方向設(shè)備帶來的復(fù)合體系結(jié)構(gòu)響應(yīng)的增大相比Y方向更大。而復(fù)合體系相比純土建結(jié)構(gòu)的X方向一階頻率降低了72.99%，對(duì)應(yīng)加速度響應(yīng)增大了60.24%，而Y方向一階頻率僅降低了55.86%，對(duì)應(yīng)加速度響應(yīng)增大了44.37%。這說明對(duì)于大質(zhì)量設(shè)備-結(jié)構(gòu)復(fù)合體系，不同方向的結(jié)構(gòu)頻率降幅與該方向上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的不利放大是正相關(guān)的關(guān)系。

圖4 復(fù)合體系和結(jié)構(gòu)在地震作用下X、Y向頂點(diǎn)處加速度時(shí)程響應(yīng)對(duì)比

2.3 設(shè)備-結(jié)構(gòu)頻率比對(duì)耦合效應(yīng)的影響

對(duì)于結(jié)構(gòu)-設(shè)備耦合體系，設(shè)備-結(jié)構(gòu)質(zhì)量比和設(shè)備-結(jié)構(gòu)頻率比是影響主子結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的核心要素[4]。

而對(duì)于核電廠的工業(yè)設(shè)備與結(jié)構(gòu)，其體積與質(zhì)量往往取決于電氣性能而不為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師所控制，而頻率比則可以方便得通過調(diào)整結(jié)構(gòu)剪力墻厚度和支撐剛度控制。針對(duì)設(shè)備-結(jié)構(gòu)頻率比對(duì)耦合體系相作用的影響，通過調(diào)整蒸汽發(fā)生器支撐剛度的方法，得出該工程在天然地震波下的X向一階頻率比對(duì)耦合體系動(dòng)力相互作用的影響曲線，如圖5所示。

可以看出，對(duì)于此地震波作用下的工程實(shí)例，隨著頻率比增大，設(shè)備先是因?yàn)檫^柔失效然后從一個(gè)較大的加速度響應(yīng)逐漸減小。結(jié)構(gòu)頂部加速度先是趨近于結(jié)構(gòu)模型頻率然后從大變小。通過對(duì)比頻率比下的結(jié)構(gòu)性能，其頻率比在0.5左右的方案具有良好的整體抗震性能并且兼顧了經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 論

對(duì)典型的大質(zhì)量、空間多維連接的大型核工業(yè)設(shè)備與結(jié)構(gòu)耦合體系進(jìn)行了有限元模態(tài)分析和時(shí)程分析，討論了設(shè)備-結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響的規(guī)律與特點(diǎn)，并且研究了在1.0SSE天然地震波下，復(fù)合體系設(shè)備-結(jié)構(gòu)頻率比對(duì)耦合體系動(dòng)力相互作用的影響。

圖5 頻率比對(duì)耦合體系動(dòng)力相互作用的影響

對(duì)于含有大質(zhì)量設(shè)備的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，本文得出以下結(jié)論：

(1)設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的影響總是不利的，且與設(shè)備、結(jié)構(gòu)的固有頻率差值呈正相關(guān)；

(2)設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)各階次的模態(tài)均有較大的影響，表現(xiàn)為使結(jié)構(gòu)固有的自振頻率降低，并且對(duì)應(yīng)頻率越低的模態(tài)，這種影響越明顯；

(3)對(duì)于大質(zhì)量比且低剛度的設(shè)備-結(jié)構(gòu)耦合體系，連接剛度越大整體偶聯(lián)抗震效應(yīng)越好，在0.5左右能夠兼顧經(jīng)濟(jì)性與抗震性。

參考文獻(xiàn):

[1] 李杰, 陳淮, 趙曉.結(jié)構(gòu)-設(shè)備動(dòng)力相互作用研究綜述[J].世界地震工程,1994, 2: 5-12.

[2] GB50267-201X,核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 姚偉達(dá), 廖劍暉, 張明,等.核電廠抗震系統(tǒng)的耦合性分析[J].核安全, 2015, 14(2): 87-94.

[4] 陳建兵, 李杰.結(jié)構(gòu)-設(shè)備體系動(dòng)力相互作用研究[J].地震工程與工程振動(dòng), 2000, 21(3): 70-74.

[5] 萬鳴,張鐵軍.基于耦聯(lián)分析的二次結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)[J].世界地震工程,2014,30(01):114-118.

[6] 莊初立,張永山,汪大洋.超設(shè)計(jì)地震作用下核島結(jié)構(gòu)三維震動(dòng)響應(yīng)與控制研究[J].振動(dòng)與沖擊,2017,36(16):234-240.

[7] 夏祖諷.核電廠的抗震設(shè)計(jì)輸入及AP1000核島隔震課題簡(jiǎn)介[J].中國(guó)工程科學(xué),2013,15(04):52-56+61.