大型工业设备-结构耦合体系动力效应分析①

2018-06-28

佳木斯大学学报（自然科学版） 2018年2期

(同济大学土木工程国家重点防灾实验室，上海 200092)

0 引言

近年来，对于结构-设备动力相互作用的研究已成为结构抗震领域的一个研究热点。在传统的协同设计模式中，结构设计与设备设计的工作间的联系仅限于工艺上的协调[1]，随着基于性能的抗震设计理论的快速发展，结构-设备耦联作用在核电厂抗震设计中已经涉及[2]。然而，现行的修正楼面反应谱法虽然考虑了设备和结构之间的动力相互作用[3]，但是结构和设备在地震作用下的真实的响应仍与之不同。

现有分析结构-设备耦合体系研究多是考虑小设备质量的、串联式平面结构模型[4]。而对于大体积、大质量且采用空间多维连接形式的核电设备，现有的研究成果提出的简化力学模型并不适用。通过有限元ANSYS对典型的蒸汽发生器-剪力墙复合结构在有无设备的情况、不同频率比的情况下进行动力相应分析，研究了大质量设备且空间连接的耦合体系的一些动力相互作用规律。

1 工程概况及有限元建模

1.1 工程概况

AP1000是美国西屋公司开发的第三代压水堆核电厂，AP1000主系统由两个环组成，每个环路包含一台蒸汽发生器。AP1000 蒸汽发生器为立式、倒U形管型，总高度22．46m，上筒体外径5.6m，下筒体外径4.4m，总重量604t。隔间土建结构CA01尺寸为25 m×29 m×26 m。设备通过7个铰支撑与结构连接。

1.2 三维有限元建模

采用有限元软件ANSYS对土建结构和蒸汽发生器进行建模。土建结构钢板混凝土采用折算弹性模量的SHELL43单元，蒸汽发生器外壁采用SHELL43单元，内部配重采用SOILD185单元，主泵采用PIPE16单元，支撑采用LINK8单元，并对耦合体系采用CP命令进行主子结构耦合，有限元模型见图1。

图1 结构有限元计算模型

1.3 输入地震荷载

地震输入采用典型的EL-Centro波，时间步长0.01s，并根据规范GB 50267-201X中1.0SSE的设防要求将加速度峰值设置为0.3g，地震波反应谱如图所示图2所示。

2 结构时程分析及结果

2.1 耦合效应对频率的影响

分别对土建结构、设备(假定其支撑于刚度无限大的外部结构)以及结构-设备偶和体系进行模态分析，得到X、Y向前五阶的自振频率，如表1所示。结构第一阶模态振型图如图3所示。

表1 模型结构前五阶的自振频率

图2 EL-Centro地震波反应谱

分析表明：

(1)结构设备耦合动力效应会导致复合体系自振频率降低，其动力相互作用对大质量设备耦合体系自振频率的影响表现为其总是低于对应同阶次的结构与设备的自振频率。刚性较大的结构与较柔的设备耦合产生的复合体系刚度小于设备，与设备的频率较为接近，与结构的频率相差在73%～34%范围,这说明大质量、低频率的设备对整体动力响应是巨大的。

(2)设备对结构的各阶次模态的频率均有较大的影响，表现为使结构固有的自振频率降低，并且对应频率越低的模态，这种影响越明显，随着频率升高，这种影响对结构固有模态的干扰越弱。

2.2 耦合效应对地震响应的影响

分别对土建结构、固定于刚性支座上的设备和设备-结构复合体系输入X、Y双向1.0SSE级别的地震进行时程分析。图4给出了复合体系和结构在地震作用下X、Y向结构顶点处加速度时程响应的对比。复合体系结构顶端X向峰值加速度0.586g，Y向0.462g；结构模型顶端X向峰值加速度0.233g，Y向0.257g。从图中可以看出：

图3 设备、结构、复合体系的一阶模态

(1) 对于同样的基底输入，带有大质量设备的复合结构体系的动力响应大于无设备的结构模型。在设备-结构耦合效应研究领域，这个现象与以往的研究对象小质量、串联式复合体系和工程实际多用的堆聚质量体系不同[4]，其不会降低结构的动力响应而放大设备的动力响应，而是增大结构的动力响应的同时增大设备的动力响应。

(2) 对于不同输入方向的二者情况，X方向设备带来的复合体系结构响应的增大相比Y方向更大。而复合体系相比纯土建结构的X方向一阶频率降低了72.99%，对应加速度响应增大了60.24%，而Y方向一阶频率仅降低了55.86%，对应加速度响应增大了44.37%。这说明对于大质量设备-结构复合体系，不同方向的结构频率降幅与该方向上的结构响应的不利放大是正相关的关系。

图4 复合体系和结构在地震作用下X、Y向顶点处加速度时程响应对比

2.3 设备-结构频率比对耦合效应的影响

对于结构-设备耦合体系，设备-结构质量比和设备-结构频率比是影响主子结构动力相互作用的核心要素[4]。

而对于核电厂的工业设备与结构，其体积与质量往往取决于电气性能而不为结构设计师所控制，而频率比则可以方便得通过调整结构剪力墙厚度和支撑刚度控制。针对设备-结构频率比对耦合体系相作用的影响，通过调整蒸汽发生器支撑刚度的方法，得出该工程在天然地震波下的X向一阶频率比对耦合体系动力相互作用的影响曲线，如图5所示。

可以看出，对于此地震波作用下的工程实例，随着频率比增大，设备先是因为过柔失效然后从一个较大的加速度响应逐渐减小。结构顶部加速度先是趋近于结构模型频率然后从大变小。通过对比频率比下的结构性能，其频率比在0.5左右的方案具有良好的整体抗震性能并且兼顾了经济效益。