核电厂楼层反应谱后处理系统研究与应用

张洁 赵栋 常海风

中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室 深圳518172

引言

核安全是核电产业的生命线，核电设计的安全可靠是核电安全的前提与保障［1］。日本福岛核事故后，核电站结构的抗震性能受到了极大的关注［2，3］，对核电厂结构以及相关子结构进行结构动力分析具有重要的意义。楼层反应谱，即建筑物各楼层对于特定的地震震动频率的响应曲线，是楼层楼板上的设备或管道抗震分析的地震输入，是核电厂结构动力分析中很重要的组成部分［4］。国内核电设计行业常采用SAP2000 软件开展楼层反应谱计算，由于SAP2000 自身缺乏完善的后处理功能［5］，该软件不能根据用户的需求自动提取、自定义生成数据以及分区域包络。设计人员为了得到楼层反应谱，常常面临大量的数据处理，数据导出、多点拟合处理和包络平滑等。通常一个厂房的楼层反应谱计算，需耗费大量时间进行重复的工作，效率低，人力成本高，同时容易出现人为错误。本文通过研究SAP2000 API开发技术，同时梳理并提出反应谱后处理的思路及方法，研发出核电厂楼层反应谱后处理系统，节约人力成本，让设计人员更加专注于结果的分析判断，可提升计算的准确率，极大地提高楼层反应谱计算的后处理效率。

1 关键技术研究

1.1 SAP2000 开发技术

SAP2000 在11.0 版本后提供了SAP2000 开发接口（即API）。用户通过API可以编写程序调用SAP2000 的内部功能，实现数据交互以及操作自动化［6］。

SAP2000 API开发的方式有三种［7］：第一种是开发SAP2000 软件内嵌的插件，可在SAP20000 主窗口的工具菜单中直接调用，界面统一；第二种是调用SAP2000 的内部函数，开发独立的软件程序界面，完成相关计算；第三种是基于AutoCAD、Word／Excel等第三方软件的联合开发程序。SAP2000 API 开发支持C＃、VB 等. NET框架语言。在SAP2000 的各种开发方式和技术中，文献［7］分析得出，采用C＃、VB 等语言编制插件类程序和Excel VBA 编程是目前使用较多的两种方法。

针对楼层反应谱后处理的需求，本文选择上述的第一种内嵌于SAP2000 的插件方式，鉴于VB语言开发效率高，易于上手，本文采用VB作为开发语言，完成系统的研发。

1.2 楼层反应谱提取及后处理方法

提取楼层反应谱的流程如下：（1）在SAP2000 中建立三维结构模型；（2）定义三条时程曲线，即将地震局提供的时程曲线导入到软件中；（3）分析工况（核电行业设计常采用8 种工况进行时程分析）；（4）确定载荷取值；（5）为了能够反映在地震工况下楼层的整体反应特性，在每层选取有代表性的反应谱输出点，依次输出各点在不同地震工况下水平方向（X向、Y向）及垂直方向的反应谱数据，最后进行包络和平滑处理。

其中，在包络和平滑中常见的数据后处理方法有多种，通过对比采用如下处理过程：首先按照不同工况、阻尼比等的结果进行汇总，然后对输出的峰值按照规范要求拓展处理，最后对处理后的曲线进行包络。这种方式对单个节点的峰值拓展考虑了安全裕度，能够得到满足规范要求、安全可靠的楼层反应谱。具体过程为：读取SAP2000 的反应谱工况，在反应谱工况下，对多点进行水平方向、竖直方向反应谱包络，准确输出拟合后的反应谱数据和反应谱图形，其流程如图1 所示。

1.3 系统架构

系统开发采用最为普遍的MVC 框架，基于SAP2000 软件进行开发，由SAP2000 sdb 文件、XML文件构成软件的数据层，使用VB 语言构建软件的业务逻辑层，使用WinForm构建软件的表示层。

2 楼层反应谱后处理系统设计

根据核电厂楼层反应谱后处理的方法，数据后处理主要分为以下四个步骤：（1）反应谱设置：指定坐标点，建立几何组，选取反应谱工况部分，根据工况、节点、坐标系类型、方向、反应谱类型、阻尼等建立命名集，确定选择集；（2）选择集确认：查看已设置的选择集，进行数据确认；（3）数据处理：结果集的比较，多个结果集数据同时输出、建立折线图；（4）包络光滑：几何组反应谱数据的输出、包络处理、包络图。

2.1 反应谱设置

反应谱设置用于生成选择集，对应于SAP2000 的Display→Display Response Spectrum→Response Spectrum Generation 部分，分为基本设置和高级设置两个部分，功能为创建几何组（Group），对选中的节点集合，结合工况、方向、坐标系、反应谱类型、频率／周期、阻尼、反应谱扩宽、比例系数、横坐标和纵坐标选项，建立选择集，界面如图2 所示。

图2 反应谱基本设置Fig.2 Basic setting of response spectrum

在节点列表中选中部分节点，在工况列表框中选择部分工况，复选方向，选择坐标系类型、反应谱类型、频率／周期、频率／周期类型及数据、阻尼数据，输入反应谱扩宽和比例系数，将为选中节点按照工况和方向的组合建立多个命名集。如果所选节点为1、2、3、4，所选工况为C1、C2、C3，所选方向为X方向、Y方向，则将生成如表1 所示的命名集。

表1 命名集示例Tab.1 Examples of named sets

命名集的命名规则是以下划线“_”区分命名集名称，其含义如下：最后一个数字是方向（X＝1，Y＝2），倒数第二个数字是当前工况在工况列表中的顺序，倒数第三个数字是当前命名集在当前选择集中的顺序，倒数第四个部分是当前选择集在当前几何组的标识，倒数第五个部分是当前几何组名称。

高级设置提供按算术或者对数设置横、纵坐标，按数值或者序列调整频率，通过输入阻尼系数调整阻尼等使用频率较低的功能操作。

2.2 选择集确认

由于后处理数据量大，涉及种类较多，因此在后处理前增加了选择集确认环节。该步骤旨在设计人员查看当前已经建立的选择集，确认当前分析的命名集，检查是否有误，同时可以查看单独命名集的详细信息，界面如图3 所示。

图3 选择集及信息显示Fig.3 Display of selection and information

2.3 数据处理

数据处理旨在确定比例因子和比较结果集数据。数据处理时首先确定比例因子，然后选择数据比较中的组、命名集和节点，根据选择情况，进行数据比较操作。通过界面显示数据对比的折线图和将结果集导出到Excel 生成精细化的折线图两种方式为设计人员提供便利且直观的数据对比，见图4。

图4 数据对比Fig.4 Comparison of data

2.4 包络平滑

包络平滑旨在生成包络折线图和导出几何组结果集到Excel。根据选中的几何组，导出其选中的命名集的全部反应谱数据（原始数据和放大后的数据），并对这些数据进行包络，生成包络图。所有的几何组数据均放在同一个Excel表中，不同的几何组数据放在不同的sheet 表单中，界面如图5 所示，在右侧显示包络折线图。结果集导出的Excel文件包含了以下内容：原始反应谱数据、原始反应谱数据与比例因子相乘的数据集、几何组的包络反应谱数据及其包络折线图。

图5 包络平滑界面Fig.5 Interface of envelope smoothing

3 应用效果

目前，该核电厂楼层反应谱后处理系统已在红沿河二期、防城港二期、三澳等实际工程项目中应用。以三澳项目应急指挥中心为例，该结构有两层，结构设计人员需要在每层选取N个有代表性的输出节点，依次包络出各节点在不同工况下的反应谱曲线，进而得到各层和屋面的反应谱曲线向下游设计专业提供。按《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）要求，加速度最大值按1（水平1）∶0.85（水平2）∶0.65（竖向）的比例进行调整，每个节点需按3 条时程曲线计算，共计24 种组合。若选取20 个节点，设计人员需要借助EXCEL 功能对480 条反应谱数据进行人工包络、筛选，整个过程工作量相当大。使用本文推荐的方法和系统，设计人员能够快速精确地完成楼层反应谱数据设置和处理（整个过程在熟悉系统且需求明确的情况下耗时小于1min），并能够直观地得到和导出反应谱曲线。系统导出的原始反应谱数据、包络反应谱数据及其折线图如图6所示，经与人工包络的数据对比，该系统所包络的反应谱数据满足设计要求。

图6 导出的EXCEL 楼层反应谱曲线Fig.6 Exported excel floor response spectrum curve

4 结语

本文梳理并提出楼层反应谱后处理方法，应用SAP2000 API开发技术，研发出核电厂楼层反应谱后处理系统，实现了反应谱工况自动提取、命名集自动组合、周期或频率批量生成、命名集对比及包络图生成等功能。通过实践论证，该系统操作方便且逻辑符合工作习惯，简化了工作流程，保证了数据的一致性，降低了设计门槛，对比原来的方式，设计效率大大提升，通过友好的向导式界面，降低人为误操作，同时，提供日志记录，实现了操作过程可追溯。