核电厂主控操作台抗震鉴定分析

葛 磊， 赵 勇， 卢 星

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

主控操作台在核电厂属于1E级设备，即在地震过程中，至少需要保证其结构的完整性，要求其必须通过抗震鉴定[1]。主控操作台的主控制台部分已经采用抗震试验的方式通过了抗震鉴定，但后续抗震要求发生了变化，需要重新进行抗震鉴定。抗震鉴定的方法主要包括试验法、分析法，以及试验与分析相结合的方法。考虑到主控操作台整体尺寸大，无法采用抗震试验的方法进行抗震鉴定，即无法采用在地震台上试验的方法进行，笔者考虑采用试验与分析相结合的方法进行抗震鉴定[2]。首先，采用抗震分析的方法，采用ANSYS软件建立有限元模型，并进行模态分析和静力分析[2-3]，确定整个主控操作台在地震条件下能够保证其结构的完整性。其次，对已经通过原先抗震试验要求的主控制台进行瞬态地震响应分析，并将原先已进行抗震试验的主控制台不同位置的抗震试验响应谱与地震响应分析的响应谱进行对比，得出抗震试验响应谱能够包络地震响应分析响应谱，表明主控制台在新的抗震要求下能够通过抗震试验。最后，综合结果可以确定整个主控操作台是否能通过抗震鉴定。

1 主控操作台简述

主控操作台由主控制台、辅助控制台A、辅助控制台B组成，整体结构为对称结构。整个结构采用成型钢板焊接或螺栓连接而成。主控操作台的结构见图1。

图1 主控操作台结构

主控操作台材料为Q235B，连接件材料为35号钢，材料的力学性能参数见表1。

表1 材料性能参数

2 抗震分析

采用ANSYS软件进行抗震分析，首先建立主控操作台有限元模型，其次进行模态分析，判断其一阶固有频率是否大于33 Hz。若大于33 Hz，则采用静力分析法进行应力分析；若小于33 Hz，则采用响应谱分析的方法进行应力分析[4-5]。最后，将应力分析结果与应力限值进行比较，确定结构的完整性。

2.1 有限元模型

主控操作台为对称结构，可采用对称方式进行建模(见图2)。其中，辅助控制台A有367 584个单元和325 697个节点；主控制台有95 254个单元和93 782个节点。

图2 对称有限元模型

2.2 载荷组合

主控制台的安全等级为1E级，抗震等级为1级；辅助控制台的安全等级为NS级，抗震等级为非抗震级。抗震分析时，主控操作台所受载荷包括重力载荷和地震载荷。

根据抗震鉴定要求，需要计算异常工况和正常工况下主控操作台的结构完整性，其载荷组合和使用限制见表2(其中，D为重力载荷，OBE为运行安全地震载荷，SSE为极限安全地震载荷，极限安全地震载荷为运行安全地震载荷的2倍)。

表2 载荷组合和使用限制

2.3 使用限制和应力强度限制

根据有关规定，对应工况下的应力分类和应力限值见表3和表4[6]。

表3 板壳型构件应力分类和应力限值

注：1)Pm为薄膜应力；2)Pb为弯曲应力；3)Kb为应力限制系数，取1.33；4)Sm为许用应力强度，取Sm=min(Su/4, 2Sy/3 )。

表4 线型支撑件应力分类和应力限值

注：1)Fa为无弯矩情况下允许的轴向压(拉)应力；2)Fb为无轴向力情况下允许的弯曲应力。

2.4 计算结果评定

2.4.1 主控制台模态分析结果对比

首先进行主控制台的模态分析，通过有限元计算得出其一阶和二阶固有频率分别为36.9 Hz和39.43 Hz(主控制台振型见图3和图4)。原先在抗震试验时得到主控制台的一阶和二阶固有频率分别为35.86 Hz和39.5 Hz。由此可见：主控制台的模型可靠合理，可以采用相同方法建立主控操作台的有限元模型。

图3 主控制台一阶振型

图4 主控制台二阶振型

2.4.2 主控操作台模态分析

对模型进行模态分析，约束为模型底部的L形钢的底部，得到其一阶固有频率为42.2 Hz，对应的振型见图5。

图5 主控操作台一阶振型

2.4.3 应力分析结果与应力评定

根据模态分析结果可知，主控操作台的一阶固有频率大于33 Hz。因此，可采用静力分析的方法进行应力分析，其中地震载荷选取为要求响应谱中最大加速度的1.5倍。SSE在X方向、Y方向和Z方向的加速度分别为18 m/s2、16 m/s2和25 m/s2。对结构进行应力评定，得到的结果见表5和表6。

表5 壳型构件的最大应力

表6 型支撑件的最大应力

由表5和表6可得：计算出的部件的应力小于要求的应力限值，主控操作台能够在地震试验条件下保证其结构的完整性。

3 瞬态地震响应分析

主控操作台的主控制台在原先的抗震试验要求下单独进行了抗震试验，并且通过了抗震鉴定。现抗震要求发生了变化，在新的抗震要求下，采用ANSYS软件对主控制台单独进行瞬态地震响应分析，并将计算得到的时程结果与原先实际试验得到的结果进行对比，可以为主控操作台通过抗震鉴定进一步提供依据。

单独取出图2中的主控制台模型，对其进行瞬态地震响应分析，得出新的抗震要求下主控制台上不同点的时程计算结果，并通过时程得出响应谱。对比了多个点的响应谱结果，其中图2的1号、2号点的响应谱对比见图6～图8(g为重力加速度)。

图6 1号、2号点X方向响应谱对比

图7 1号、2号点Y方向响应谱对比

图8 1号、2号点Z方向响应谱对比

由图6～图8可知：通过抗震试验的主控制台的1号、2号点所对应的响应谱能够包络瞬态地震响应分析得到的响应谱，同时其他点所对应的响应谱也能够包络瞬态地震响应分析得到的响应谱，即整个结构响应变小，应力也相对变小。由此可推断，主控制台在新的抗震要求下能够通过抗震试验。

结合主控操作台的抗震分析的结果和主控制台的瞬态地震响应分析的结果，可以综合推断，主控操作台能够通过抗震鉴定。

4 结语

通过对主控操作台进行抗震分析和对主控制台进行瞬态地震响应分析，得到以下结论：

(1) 主控操作台的一阶固有频率为42.2 Hz，大于33 Hz，可以采用静力分析法进行应力分析。

(2) 在异常工况和事故工况条件下，主控操作台各个部件的应力均在应力限值内，主控操作台在地震试验条件下能够保证其结构的完整性。

(3) 已通过抗震试验的主控制台不同点的响应谱能够包络瞬态地震响应分析得到的响应谱，主控制台及主控操作台在新的抗震试验条件下能够通过抗震鉴定。