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1、仿真分析在核电工程中的高级应用,安世亚太,核安全级设备的抗震鉴定,一、前言,核安全级设备的设备鉴定的目的是证明该设备在其寿期内（如40年），在各种预期的运行和事故工况下，都能可靠的动作和运行，履行其规定的安全功能。设备鉴定包括设备的抗震鉴定和设备的环境鉴定，只有经过设备鉴定合格的设备，才能用于核设施。反之，没有通过设备鉴定并证明合格的设备不能出厂，也不能进行现场安装。因此设备鉴定是常规设备过渡到核安全级设备（简称核级设备）的重要一环。,二、安全分级,核电站的安全是通过其组成系统、设备和部件的安全性来实现的。所谓核电站的安全功能主要包括：反应堆停堆并维持反应堆在安全停堆状态；余热导出；放射性物质
2、的封存和限制向环境排放，并控制在规定限值内。核电站的各个系统、设备和部件根据它们所执行的安全功能进行安全分级，并对不同等级设备和部件确定抗震分类和规范级别，并规定出在设计、制造和检验等方面的不同要求。,2.1 机械设备安全分级,承压设备:构成压力边界和执行安全功能的流体系统的机械设备（包括管道）分为三个安全等级，其余为非安全级（NC）。安全1级适用于构成反应堆冷却剂压力边界的设备，其在正常运行期间失效引起的反应堆冷却剂流失超过了正常补水能力的补水量。安全2级适用于非安全1级的反应堆冷却剂压力边界的承压设备和部件，或者用于在发生失水事故时为封闭放射性物质所需的系统设备和部件。安全3级适用于对安全
3、有重要作用的设备和部件，这些部件损坏后不会直接引起放射性后果；或者对于其故障后会导致正常存放衰变的放射性气体释放的那些设备和部件。非安全级适用于安全1、2、3级设备以外的设备。,非承压机械设备：具有符合节所规定的安全功能的非承压机械设备被确定为与安全有关级（用LS表示）。其它与安全无关的机械设备，用NC表示。与安全有关的设备主要包括：乏燃料装卸和贮存系统中的起重运输设备；与安全有关的承压设备的支撑装置以及反应堆堆内构件；一些通风系统，这些系统的设备使用专用的设计、制 造、试验、检查和验收规则。,2.2电气设备,如果电气部件和设备在事故后用来向保护公众安全的系统供电或构成该系统的一部分，则这些设
4、备和部件应属于1E级。,2.3构建物和建筑物,凡支承或包容安全级设备并提供一个放射性生物屏蔽或可把放射性产物封存的建筑物或构筑物称为LS级土建结构。,三、抗震分类,凡要求保证上述三项安全功能的设备属于抗震1类设备，抗震1类设备能承受安全停堆地震SSE（即极限安全地震SL2）载荷。安全1、2、3级和LS级机械设备以及1E级电气设备均属于抗震1类。其它设备如某些废物处理系统和消防系统设备属于非安全级系统，但要求在地震下履行其功能为抗震1类，近来对消防系统的要求提高了。其余设备为非抗震1类。,抗震1类设备，应能承受SL1和SL2载荷，并保证在地震发生时或（和）地震后均能履行其安全功能。这些安全功能是
5、：维持和保证反应堆冷却剂系统承压边界的完整性；使反应堆安全停堆并保持在安全停堆状态；停堆后（包括事故停堆后）堆芯余热排出；能减少和防止放射性物质向环境释放，并保证不超过规定限值。,对于抗震1类机械设备又可细分为三级：（1）1I级，在安全停堆地震下仅要求保证其完整性的设备，计算中对4类工况下可采用D级准则校核；（2）1F级，在安全停堆地震下不但保持其完整性还应保持功能性要求的设备。如工程安全设施的非能动部件及其支承系统，包括管道，对4类工况采用C级准则校核，以限制其变形；（3）1A级，它是对能动部件而言，所谓能动设备是一种包含有执行其安全功能所必需的运动部件或机构的设备，如泵、阀门等。在安全停堆
6、地震下不仅要保证其结构完整性，而且要保持其可运行性，即保证其运动部件或机构有良好的运行性能。计算时对4类工况采用B级准则校核。需要指出，这是一种设计措施，美国和加拿大采用C级应力限制进行校核。,四、核电厂抗震鉴定的重要意义,核电厂的抗震具有特殊的重要性。由于核电厂中许多设备和部件中聚集着大量的放射性物质，一旦遭到地震破坏可能使放射性物质外逸，从而对公众的生命和健康造成危害，这是核设施与常规工业设施的重要区别之一。如果反应堆系统遭受破坏，可能造成核事故，影响的范围更大。值得指出的是，地震扰动具有同时破坏核电厂的冗余部件的潜力。地震破坏的这一特点，使核电厂设计中的多重性防护准则受到破坏，这就是说地
7、震可能引起核电厂的共模失效（common mode failure）。,因此在核电厂的设计和建造中必须重视抗震鉴定工作。美国规定任何核电厂都要考虑抗地震问题，即使是地震危险性很小的地区也至少应该按0.1g进行设计。世界上主要核国家先后建立了一整套有关抗震鉴定的法规、导则和规范，从而为核电厂的抗震安全性提供了保证。如核电厂采用的是HAF0102和IAEA安全导则NO.NS-G-1.6“核动力厂抗震设计与鉴定”，对核动力厂以外的核设施，如研究堆，前处理厂，后处理厂则采用TECDOC1347“除核动力厂之外的其它核设施设计中对外部事件（以地震为主）的考虑”。,四、核电厂抗震鉴定的重要意义,五、核电厂
8、抗震鉴定的发展和现状,地震工程是一门范畴十分宽广的几个方面相互关联的学科。在国际反应堆结构力学领域内，核电厂地震反应分析占有显著地位。在60年代核电厂的开创阶段中，抗震问题一开始就受到了应有重视。当时抗震工作基本上沿用了一般的建筑抗震规范，停留在静力分析阶段。在60年代中期开始采用反应谱进行动力分析，但仅限于1级部件，总的抗震费用不到总投资的1%。值得提到的是我国在60年代初期已对反应堆的抗震开展了设计研究工作。70年代核电厂的抗震工作逐渐走上正轨。美国核管会提出了一系列的导则，如RG1.60反应谱的采用，在设备设计中楼层反应谱的应用，引进有限元方法使动力分析得到广泛的应用。这一阶段抗震工作已
9、形成了一整套的规范导则，许多方法和规范导则一值沿用至今。,五、核电厂抗震鉴定的发展和现状（续）,80年代以来提高了对管道的抗震要求，并对分析程序和支承设计要求更加严格，设备的抗震鉴定费用有的已经超过总投资的10%。由于地震运动的复杂性，有许多方面还未被人们认识，因此许多方面存在着不确定性，从而在核电厂抗震设计中显得过于保守。在管道分析中，大量实践证明美国RG1.61阻尼比过于保守，采用N411的阻尼比代替RG1.61阻尼比可大大降低管道的地震响应，减少大量管支承与阻尼器，具有重大经济意义。80年代初期我国秦山一期30万千瓦核电厂开始建设，根据国家核安全局的要求，核安全级设备的抗震鉴定工作也随着
10、开展，至今全国已建立和改造5个抗震试验台架，投资上千万元，对300余台核安全级典型设备进行了抗震试验。另外对所有抗震I类设备进行了抗震分析，特别是控制驱动线的抗震鉴定试验已达到世界领先水平。,五、核电厂抗震鉴定的发展和现状（续）,在试验研究方面，目前世界上最大的试验台是日本的多度津地震试验台，台面尺寸15m15m，载重1000t。我国目前已有五座可用人工时程曲线输入的地震试验台，分别是北京水科院（台面尺寸5m5m载重20t），上海同济大学（台面尺寸4m4m，载重15t），南京河海大学（台面尺寸2.8m2m,载重6t），成都中国核动力院（台面尺寸6m6m，载重20t），哈尔滨工程力学所（台面尺寸
11、5m5m，载重30T）和一座成都核动力院的单频振动输入地震试验台（1m1.5m，最大加速度75g，载重2t，专门用于阀门抗震试验）。,六、核电厂抗震设计的法规和导则,我国正在逐步建立一套完整的核安全法规。HAF0100核电厂厂址选择安全规定对核电厂抗震设计作了原则规定；HAF0101核电厂厂址选择的地震及其有关问题以及HAF0102核电厂的地震分析及试验两个安全导则对HAF0100规定进行了说明和补充。HAF0102导则叙述了对核电厂结构、系统和部件进行抗震分析及抗震鉴定试验的程序，以及对核电厂各物项的抗震分类、荷载组合、地震分析的方法及许用限值等。这些导则基本上是IAEA的导则，比较原则，因
12、此在使用时有必要参照美国核管会的管理导则和标准审查大纲（SRP）3.7节的规定。我国现在已制定了抗震鉴定的法规，抗震分析可采用“核电厂抗震设计规范”（GB50267-97），抗震试验可采用“核设备抗震鉴定试验指南”（HAF-J0053）。,七、地震动基本描述,在进行抗震设计时，有必要先介绍一下有关地震的基本概念。地震是一种自然现象。每年全世界约发生地震五百万次，有感地震约占1%左右，造成灾害的平均每年十几次。地震的成因可分为构造地震、火山地震、塌陷地震等。另外，水库也能诱发地震，核爆炸可能在场地激发地震，而造成震害的都是构造地震。对地震的机理，有“断层说”、“板块构造学说”、“断块学说”、“岩
13、浆说”、“相变说”等。,七、地震动基本描述,发生地震的地方叫震源。震源在地表的投影叫震中。如图1所示。,七、地震动基本描述（续）,表示一次地震大小的指标是震级M。震级与地震波能量存在如下关系：logE=11.8+1.5M E为地震波能量，单位为尔格；M为震级。所以震级（Magnitude）的大小反映的是一次地震释放的能量的大小。地震烈度（Earthquake intensity）则是表示某一地区地面和各种建筑物受到一次地震影响强弱的指标。一般分为12度，烈度越高，破坏越严重。某地的地震烈度与震源的深度和该地与震中的距离均有关。,七、地震动基本描述（续）,震中烈度与地震震级大致存在如下表的对应关
14、系,一次地震可以持续1530秒，地面加速度为0.10.6g范围，强震时间为10秒左右，频带范围在0.0133Hz。,七、地震动基本描述（续）,实际上烈度不仅与震级有关，还与震源深度，距离震中的远近以及地震波通过的介质条件（如岩石性质，岩层构造等）等多种因素有关，震中烈度与震级、震源深度关系如下：,八、设计地震动分类,设计地震动分为两类：（1）运行安全地震动，代号SL1，也称OBE（Operating Basis Earthquake）。为核电厂运行期间可能遭受的最大地震动。发生的概率为500年一遇的地震动，即10-2概率的地震动。（2）极限安全地震动，代号SL2，也称SSE（Safe Shut
15、down Earthquake）。为核电厂厂区可能遭受的不低于年超越概率（一年内地震动超过给定值的概率）为10-4的最大地震动，一般按当地历史发生过的最大地震再加上适当安全裕度而定出的假想地震。即最大潜在地震动。一般取OBE1/2SSE。,八、设计地震动分类,应包括：两个水平、一个竖向的加速度峰值、设计反应谱和一组加速度时程。竖向加速度峰值取为水平值的2/3。根据对地震资料的收集，调查和分析，分别用地震构造法、最大历史地震法和综合概率法估算，取三者中的最大值为SSE值。而且，地面水平加速度峰值不得低于0.15g。,九、楼层反应谱,首先介绍“振子”的概念：对于单质点的振动模型可用“振子”模型表示
16、，见图2，即由质量M，刚度K和阻尼关系表示：,九、楼层反应谱（续）,在外力F作用下的振子的运动微分方程为：当外力F=0，振子作自由振动，如果阻尼=0，振子的自由振动周期可以求得 Hz可见振子自由振动的固有频率仅决定于系统的本身的物理性质：质量m和刚度k。而与由初始条件决定的振幅无关，只要系统的m和刚度k一旦确定，固有频率就是一定值。,九、楼层反应谱（续）,再介绍楼层反应谱的概念：当一结构受到地震作用时，结构上各点的位移、速度和加速度（统称为反应）随时间变化，但从设计观点来说，重要的是反应的最大值。该反应是阻尼和固有频率的函数，这就是反应谱。图3形象地说明了反应谱的概念。由图3可见，在一个振动台
17、上，并排放置一组阻尼比为常数，而固有周期（频率的倒数）不同的振子（即单质点系）。当输入一地震加速度时，各质点随振动台摇动，表现出对输入加速度的反应。将各质点的加速度反应测出来，并取其最大值，绘出各振子反应的最大值与固有频率之间的函数关系，就得出了反应谱图。反应谱就是一组不同自振频率（周期）的单自由度振子对地面（楼面）运动的最大反应的反应曲线。响应谱表示了加速度与频率（周期的倒数）之间的关系。对于不同阻尼比，可得到不同的反应谱图，见图4。由图4可见，阻尼比越小，加速度反应越大；固有频率f越小（周期T越大），加速度反应越大。,九、楼层反应谱（续）,图3 地震响应谱的生成,九、楼层反应谱（续）,图4
18、 地震响应谱,九、楼层反应谱（续）,反应谱由一系列不同自振（固有）周期的振子构成：为阻尼 为刚度 为外力（地面激励）为相对基础的运动的相对位移 为绝对位移 Z为基础（或地面）的绝对位移 当结构固有频率很高时（大于33Hz），相对于基础的位移 与基础同步。由图可见：自振周期短的振子振动得快。一般说，自振周期小，自振频率高，则加速度振幅小，当固有频率大于截止频率f1时，反应加速度与地面激励加速度一致，这时称为零周期加速度（ZPA），该系统称之为刚性系统。,九、楼层反应谱（续）,反应谱具有重要的工程意义，从反应谱上读到的数值就是结构物上的最大加速度，它与结构物质量的乘积就是结构所受的最大地震力。虽然
19、反应谱本来是关于单质点系的概念，通过振型迭加可以应用于复杂的多质点系统。核电厂抗震设计常采用标准反应谱，所谓“标准反应谱”是包络不同大小和距离的地震影响的反应谱，它可以用在不同的厂址上。标准反应谱常使用美国的NRC RG1.60反应谱。它是根据大量的地震记录，通过统计分析得到的。即收集美国太平洋沿岸30多条实际强震记录并采用统计方法绘制成的。尽管有许多人认为该谱比较保守。图5为美国1940年的EL CENTRO地震波记录。两个水平方向，一个垂直方向。图6为计算机生成的人工模拟加速度曲线。,九、楼层反应谱（续）,图5 美国EL CENTRO地震波记录,九、楼层反应谱（续）,图6 人工模拟加速度时
20、程曲线,九、设计加速度时程,一次地震动随时间变化的全部过程称为时程（time history），常用加速度时程表示。加速度时程可采用三角级数叠加法生成，也可采用实际地震加速度记录经修改生成。采用三角级数叠加法时，加速度时程可表达为一系列不同振幅，频率与相角的正弦函数之和。即 式中，A(t)为加速度 B(t)为包络函数 Ci为振幅 i为圆频率 i为相位角,九、设计加速度时程（续）,可根据相位角在02范围内随机均匀分布的假定，用随机数可生成随机相位角。在满足时程包络函数条件下，提高各谐波的幅值，使设计加速度时程对应的反应谱能包络给定阻尼比的要求反应谱。已有专用的计算机程序，可根据已知的要求反应谱，
21、经反复迭代计算,求出对应的人工模拟时程曲线。作设备的抗震鉴定试验时，输入的人工加速度时程应满足HAF-J0053的8条要求。,十、楼层反应谱的生成,设备管道一般安装在厂房的不同楼层上，楼层谱是由于地震激励施加到结构上，得到的安装在楼层上的一组不同自振频率（周期）的单自由度振子对地面（楼面）运动的最大反应的反应曲线，图7示出了基岩地标准RG1.60谱与楼层响应谱的关系。由厂址分析得到厂址基岩处的地震加速度，如0.2g，由RG1.60标准谱（归一谱）得到基岩处的反应谱。将建筑物厂房、土壤和基岩看成一个结构体系，先将标准反应谱转换成标准时程，通过结构体系的放大，计算得到楼层的时程，再由楼层时程转化到
22、楼层反应谱。由于厂房对输入地震有放大和滤波作用，楼层反应谱一般变窄变高，其窄高处的频率与厂房的主频相对应。用楼层反应谱可对安装在楼层上的设备管道进行抗震分析或抗震试验。,十、楼层反应谱的生成（续）,图7 标准反应谱与楼层反应谱的关系,十一、核安全级设备的抗震鉴定分析,设备的抗震鉴定可以采用分析、试验或经验反馈方法进行。对于抗震鉴定，其鉴定方法的原则是：对于能动（即通过机械运动实现其安全功能）的安全级机械设备和IE级电气设备，应采用试验方法（当机械设备尺寸太大或结构相当复杂时，可以不通过试验，而通过分析法进行抗震鉴定。但数学模型必须能精确的描述该设备，并通过核安全审查）。设备的抗震鉴定试验在原型
23、样机上进行。,十一、核安全级设备的抗震鉴定分析,抗震鉴定可以采用分析法、试验法，经验反馈法和经验类比法。1分析法仅限于要求结构完整性，而不要求功能动作性的物项，或尺寸太大而不宜作试验的物项。当计算模型合理而反映实际，计算程序作过鉴定，并被安全当局认可，计算结果合理可信时，才可使用。2试验法主要用于能动的机械设备和IE级仪控电气设备中。3经验反馈法：是采用过去历史地震留下的设备为资料（特别是强震资料），了解等同被鉴定物项（同类型结构，同样支承形式）在地震中的表现，类比的设备的安装点的地震运动（或激振水平）应是相当的。4间接类比法：被鉴定物项与参照物项在结构和类型上是相似的，支承也是相似的，且有大
24、致相同的物理特性（自振频率相同），如果参照物鉴定物项的地震输入能包络被鉴定的地震输入，就可以通过鉴定。如果被鉴定物项与参照物项的结构不同，而地震输入不一样，则如果被鉴定物项更刚（主频自振频率更高），则谱反应更小，可以认为被鉴定物项通过鉴定。,十一、核安全级设备的抗震鉴定分析,当分析法可以合理又可信地说明设备在地震作用时和作用后的完整性和功能性时，才能采用分析方法。采用分析法的基本要求是：设备能够合理地简化成数学模型，并准确地反映其动力特性：自然频率、阻尼、振型、应力、变形等。其动力分析结果应与可接受的判据进行比较，并应在判据要求的范围内。所采用的计算机程序应有其适用性和有效性的证明；说明其适用
25、范围和局限性，并证明本设备的抗震分析在其适用范围之内，另外通过以下方法得到的考题求解结果与经典的解析解比较是一致的，或在规定的误差范围以内：与国际公认的通用程序的解比较，与已作的实验数据比较，与规定的基准问题的解的比较。,十一、核安全级设备的抗震鉴定分析,分析计算，首先通过频率分析得到设备的各阶固有频率，如果设备的最低自然频率大于33Hz，则可采用静力法分析；如果小于33Hz，则必须采用动力法。在动力法中，如果采用反应谱方法确定动力响应，对于各模态反应的组合和对于地震运动三个分量的组合均可采用SRSS，10%，CQC等方法。地震响应分析的结果应与设备承受其它载荷引起的效应结果相组合，在GB50
26、267-97中规定了载荷组合的不同形式：即SL-1地震效应与设计荷载或A级或B级荷载效应按绝对值相加组合，而SL-2地震效应与D级荷载效应组合，其中与LOCA荷载按SRSS进行组合。,十一、核安全级设备的抗震鉴定分析,对以上各种工况的荷载组合和相应的许用应力强度限值和许用应力限值对不同的设备在本文的附表中列出。一般在设备的抗震计算中均采用弹性分析法。对于能动部件，为保证可运行性对应力作了更严格的限制，即在D级荷载（与SL-2荷载组合）组合时满足B级应力限值。对能动部件和外延机构还要按照设计规格书验证其变形量，一般对泵、阀、风机，在D级荷载组合下，可动部件与静止部件的相对变形不超过实际间隙的90
27、%。,十一、核安全级设备的抗震鉴定分析,对设备进行了频率分析后，应通过结构设计使设备的自然频率远离楼板响应谱峰值，最好在峰值的1/2以下或2倍以上。在设备疲劳计算中应计及地震周波引起的疲劳效应，即在寿期内会产生5次SL-1和1次SL-2地震，并假定每一次地震有10个或十个以上最大应力周波。对设备的基础和地脚螺栓应进行稳定性和强度校核。对自由放置在基础上的设备不得在地震时发生倾覆、滑移和提离。在抗震计算和应力计算时，应采用经鉴定的合格的计算机程序，如ANSYS程序等。,十二、计算模型的选取,根据分析对象的特点，建立一个与设备等效的计算模型。在设备抗震计算中可选用不同的模型。1）质点模型，针对刚性
28、很大的设备，如有些阀门、泵、电动机、电机等，若其基本频率大于33 Hz，可将之视为一刚体，假定所有质量集中在一点上，其支撑刚度对质量起约束作用。允许有一个以上的自由度。,十二、计算模型的选取,(2)集中质量模型：设备由若干集中质量和无质量的梁单元组成。这种梁具有拉压，弯曲或剪切刚度。常用于梁、柱、框架、管道、风道、电缆支架、箱柜、压力容器、热交换器等。关键在于如何合理的选取参数。可对应于选定的自由度，用单位位移的静力分析来确定刚度系数。(3)有限元模型：把部件划分成梁单元、壳单元、体单元进行求解。能较好地反映结构的实际情况，有许多有效的计算机程序，但比前两种模型复杂，计算费用较高。图8，图9和
29、图10列出集中质量模型和有限元模型的举例。,十二、计算模型的选取,图8 电动阀集中质量模型,十二、计算模型的选取,图9 断路器 断路器的集中质量模型,十二、计算模型的选取,图10 泵的有限元计算模型,十三、地震分析方法,核电厂各物项的地震分析通常采用线性分析方法，一般不作非线性分析。地震时物项的弱非线性，可通过用较大的阻尼来考虑；对于强非线性，则必须考虑刚度和阻尼的变化。对结构间隙造成的非线性以及土体结构的强非线性，可用分段线性或等效线性化来考虑。设备的地震反应分析可以采用三种地震反应分析方法：（1）准静力法；（2）反应谱法；（3）时程法。,十三、地震分析方法,为确定设备的地震反应，如加速度、
30、力、力矩、应力和变形等。准静力法属于静力分析，反应谱法和时程法属于动力分析方法。准静力法一般不得用于反应堆冷却剂系统的设备。设备抗震分析一般采用反应谱法，必要时可采用时程法。对于显示出高度非线性性质（如部件间有较大的间隙）的设备应作时程分析。设备抗震鉴定分析和试验的一般步骤如图11。,十三、地震分析方法,13.1 准静力法,准静力法又称当量静力荷载法，是用静力分析代替地震反应动力分析。当设备的第一固有频率大于33Hz时，可以采用准静力法。准静力法的计算十分简便，是一种近似的偏于保守的计算方法。适用于简单的部件。当同时满足下列要求时，可采用准静力法：a.设备用一个简单的计算模型就能真实的表达，求
31、得的结果应偏于安全；b.设备的第一固有频率大于33Hz，即设备是刚性时。作用在设备上的地震力可以认为作用在设备的质心上，地震力的大小可用下式表示：,13.1 准静力法,F=G/gSa式中：F施加在设备质心上的地震作用力（N）；G设备总重量（N）；g重力加速度（m/s2）；Sa 对非刚性设备，取相应的楼层加速度反应谱上的加速度峰值（m/s2）对于刚性设备可采用设备安装处的楼层反应谱的零周期加速度值（ZPA）。考虑地震时多个固有频率的总效应的系数，一般取1.5。如有适当理由，可采用小于1.5的系数。此外，对于仅有两个支承点的管道采用与楼板响应谱峰值等效的静载荷也是可以接受的。,13.2 反应谱法,
32、当地震输入是反应谱时，采用反应谱法。它是一种近似的动力分析方法，计算费用较低。设备和部件的谱分析可采用所在的设计楼层反应谱作为激励输入。物项的最大反应可取各振型最大反应的平方和的平方根值，即：R=当两个相邻振型的频差的绝对值与其中一个较小的频率之比|fj-fi|/fi0.1时（1ijn），为密集振型，采用10%法或CQC法进行模态组合，并与其他振型的最大反应按平方和的平方根法进行组合，对地震反应影响不超过10%的高阶振型可略去不计。(2)由不同方向的地震输入引起的某点同一方向的总的反应，可取各个反应的平方和的平方根进行组合。,13.2 反应谱法,(3)当设备支承在几个支承点上，且各支承点处的运
33、动可能有很大差别时，应采用各支承点的反应谱作多点输入，或采用各支承处反应谱的上限包络线作多点输入来计算多支点设备的最大反应。当设备支承处于同一建筑物的不同标高的多点时，可选择各支承上最大的楼层反应谱作为输入谱进行多点输入，并应考虑支承处相对位移的影响。(4)支承处的最大位移可从结构动力计算中得到，也可按下式近似计算。然后将各支承处的位移按最不利组合加到设备的相应节点上，计算由支座相对移动引起的应力。u=Sa/2式中 u支承处最大位移（m）；Sa楼层反应谱的零周期加速度(m/s2)土建结构的基本圆频率（rad/s）；(5)上述地震反应和相对位移引起的反应可按平方和的平方根法组合。,13.3 时程
34、法,当地震输入是加速度时程曲线时，用时程法进行分析。时程法可以给出设备在时间域内的完整的反应，但比反应谱法需要较多的计算费用。(1)时程法属于时域分析方法，可采用直接积分法。(2)由不同方向的地震输入引起某点同一方向的反应，采用时程法时，可求出作为时间函数（每个时间步长）的各反应分量的代数和。然后对各方向进行组合得到反应的最大值。(3)输入运动应采用地面或特定楼层平面处的设计加速度时程。(4)具有不同输入的多支点的设备，可采用多点激振计算。,13.4 耦联分析问题,主体结构可视为主系统，而其他被支承的结构和部件为子系统。一般情况下，主系统和子系统应作耦联分析。当符合下列条件之一时，可以解耦，不
35、作耦联分析：(1)当m0.01；(2)0.01m0.1且或f 0.8或f 1.25。其中，m为子系统的总质量与主系统总质量之比；f为子系统的基本频率与主系统的主导频率之比。主导频率是指对地震反应起控制作用的头几个振型的频率。,13.4 耦联分析问题,不作耦联分析的子系统对主系统的影响应这样处理；当子体系与主体系刚性连接时，可将其质量包括在主系统内。如果与主系统柔性连接时，如吊架支承的管道，在主系统模型中，可不考虑子系统的质量。对于不与支承结构作耦联分析的设备，其地震动输入为由主系统的结构分析确定的设备支承处的楼层时程或反应谱，分析时，只对设备（子系统）作分析。对于与支承结构（主系统）组成耦联模
36、型的设备，其地震输入为支承结构底部或基底的地震动时程或设计反应谱，分析时，对设备和支承结构一块作分析。,13.5 楼层反应谱的拓宽与平滑化,考虑到材料性质、阻尼、地基与结构的相互作用等的不确定性和地震分析的近似性而产生的计算结构频率不确定性，对计算的楼层反应谱予以平滑化，并拓宽与结构频率相关的每一峰值，形成设计楼层反应谱。与结构频率相关的每一峰值的拓宽量fi可取为0.15fi，拓宽的峰值由平行于原谱峰值的直线确定。图12是经平滑化的峰值拓宽的设计楼层反应谱示意图。,13.5 楼层反应谱的拓宽与平滑化,图12 反应谱峰值的拓宽和平滑化,13.6 设计楼层反应谱的修正,当设备或部件有两个或两个以上
37、的频率落在设计楼层反应谱的加宽后的峰值范围内时，容许对楼层反应谱进行修正。修正的主导思想是地震动只能使支承结构激起一个共振峰值。“核电厂抗震”设计规范附录六给了三种可能的方案进行修正，并将其中产生最大反应的谱用于设计中。当设备主轴与支承土建结构主轴方向不一致时，设计楼层反应谱应按座标变换方法进行修正。,十四、载荷组合和使用限值,14.1 载荷组合核安全级的设备所受的地震荷载必须与其它各类使用荷载进行组合。在设备、部件的设计和分析时，应考虑可能承受的最不利的载荷组合。核电厂的运行工况分为四类：正常、异常、紧急、事故。对应的设备部件所受荷载（压力、温度、机械荷载等）分为A、B、C、D四级使用荷载。
38、另外，还有设计和试验荷载，共六种荷载。对不同使用荷载规定了不同的应力限值，应力限值又称使用限制。对需要准确控制其几何尺寸和在地震时及地震后要保证其可运行性的部件，应提出相应的变形限值。,14.2 两种载荷组合,地震载荷与运行工况载荷这两类载荷如何组合？一般的作法是SL1（OBE）与A级或B级载荷，按最不利的情况组合，即绝对值相加；SL2（SSE）与D级载荷组合中，其中由于SSE和LOCA同时发生的概率极低，因此用平方和的平方根法进行组合，然后再与正常载荷相组合（绝对值相加）。对安全1级部件，SL1（OBE）还应与设计载荷组合。对抗震1类设备要同时承受SSE和OBE两种载荷的组合；抗震II类设备
39、只需考虑设计载荷与OBE载荷组合；表2-2规定了1类设备应考虑的载荷组合。,14.2 两种载荷组合（续）,注：各级作用荷载均包括自重,抗震I类设备（部件）的载荷组合,14.3 许用应力,(1)安全一级部件（非螺栓材料）的设计应力强度值Sm；对铁素体钢应取下列的最小值；a.室温下规定的最小抗拉强度的1/3 b.实际温度下抗拉强度的1/3 c.室温下规定的最小屈服强度的2/3；d.实际温度下屈服强度的2/3。对奥氏体钢、合金钢应取下列的最小值：a.室温下规定的最小抗拉强度的1/3；b.实际温度下抗拉强度的1/3；c.室温下规定的最小屈服强度的2/3；实际温度下屈服强度的90%。,14.3 许用应力
40、（续）,(2)安全一级螺栓材料的设计应力强度值Sm，取室温下规定的最小屈服强度的1/3或实际工作温度下屈服强度的1/3，两者的较小值。(3)对安全二级及三级部件（非螺栓材料）的许用应力值S：对铁素体钢应取下列的值最小值：a.室温下规定的最小抗拉强度的1/4；b.实际温度下抗拉强度的1/4；c.室温下规定的最小屈服强度的2/3；d.实际温度下屈服强度的2/3。,14.3 许用应力（续）,对奥氏体钢和有色金属，应取下列的最小值：a.室温下规定的最小抗拉强度的1/4；b.实际温度下抗拉强度的1/4；c.室温下规定的最小屈服强度的2/3；d.实际温度下屈服强度的90%。,14.3 许用应力（续）,(4
41、)安全二级和三级螺栓材料的许用应力S，应符合上述第3条的要求，并应满足下面的附加要求：经热处理材料的应力不得超过室温下规定的最小抗拉强度的20%或室温下规定的最小屈服强度的25%，取两者的较小值。由上可见，一级设备的许用应力限值反而比二、三级设备高，这是由于一级设备应力评定方法与二、三级设备不同，而且一级设备的应力计算更为精确的缘故。,14.4 使用限值,在抗震计算中均采用弹性分析法。安全一级设备的应力评定采用第三强度理论。应力强度是复合应力的当量强度，即定义为最大剪应力的两倍。换句话说，应力强度是在给定点上最大主应力和最小主应力代数之差。安全二、三级设备则采用第一强度理论，即最大主应力理论，
42、计算应力为给定点的最大主应力。以下列出不同安全等级设备在不同使用荷载工况下的应力限值。,14.4 使用限值,附表 不同安全等级设备、管道、支承件、螺栓在不同使用荷载工况下应力限值。以下表格中列出不同安全级的设备、管道、支承件、螺栓在不同使用载荷工况下的应力限值。其中设计应力强度值Sm，许用应力值S，屈服强度值Sy，抗拉强度值Su，可查ASME-III附录1。(1)安全1级管道,14.4 使用限值,表中 Sp最大应力强度 Sa交变应力强度 括号内数字为ASME-IIINB规范NB-3600款中的公式序号,表1 安全1级管道的应力限值,14.4 使用限值,(2)安全2级和3级管道,表2 安全2级和
43、3级管道的应力限值,表中括号内数字为ASME-III-NC，ND规范NC，ND-3600款中的公式序号,14.4 使用限值,(3)工程安全设施管道（属安全2级管道）对于工程安全设施管道等安全重要的管道，在任何情况下（包括SSE地震荷载时）均不应产生较大变形，引起其中冷却剂流量的降低，即不影响其功能性要求。在设计时，要求应力分析满足C级准则要求，即在D级使用荷载工况下满足C级应力限值要求。该要求如表3所示。表3 工程安全设施管道的应力限值,表中括号内数字为ASME-IIINC规范NC-3600款中的公式序号。,14.4 使用限值,(4)安全级设备安全1级容器和堆内支承结构：表4 安全1级容器和堆
44、内支承结构的应力限值,表中 Pm总体薄膜应力强度；Pl局部薄膜应力强度；Pb弯曲应力强度；Q二次应力强度；F峰值应力；Sa交变压力,14.4 使用限值,一般采用弹性分析方法。但堆内支承结构在D级使用荷载工况，容许将系统采用弹性分析与部件采用非弹性分析相结合的方法，此时部件的应力限值应满足以下公式：式中 Sy屈服强度；Su抗拉强度,14.4 使用限值,安全2，3级设备的应力限值：安全2，3级能动设备（如泵、阀）与非能动设备（如容器）的应力限值是不同的。非能动设备只要求保证其压力边界的完整性，而能动设备则不但要保持其压力边界的完整性，还要保证设备在任何载荷工况下的可运行性，因此应力限值应更为严格一
45、些。表5列出了它们的应力限值。,14.4 使用限值,表5 安全2、3级有能动设备和非能动设备的应力限值,表中：S为许用应力值,14.4 使用限值,(5)安全1，2，3级支承件的应力限 表6 安全1、2、3级支承件的应力限值,14.4 使用限值,表中：t拉伸应力；v弯曲应力；b剪切应力 Pm一次薄膜应力强度；Pm+Pb一次薄膜强度+一次弯曲应力强度；Sm许用应力强度；Sy屈服强度；Su抗拉强度。,14.4 使用限值,对于压应力有以下限值要求：对于壳型支承件，压应力0.33倍临界屈曲应力，对于板型支承件，压应力0.5倍临界屈曲应力，对于线型支承件，压应力0.67倍临界届曲应力。,14.4 使用限值
46、,(6)安全级设备的紧固螺栓承压设备上紧固螺栓应力限值,表7 承压设备上紧固螺栓的应力限值,14.4 使用限值,非承压设备上紧固螺栓的应力限值 纯受拉螺栓对于B级载荷工况 铁素体钢Ft=0.58Su 奥氏体钢Ft=0.35Su对于D级载何工况，在受力面积的平均拉伸应力限值为0.7 Su和Sy的较小者。纯受剪螺栓对于B级载荷工况；铁素体钢Fv=0.24Su；奥氏体钢Ft=0.14Su；,14.4 使用限值,对于D级载荷工况，在受力面积的平均拉伸应力限值为0.7Su和Sy的较小者；平均剪应力为0.42Su与0.6Sy的较小者。同时受拉剪螺栓其中：ft计算拉应力；fv计算剪应力；Ft工作温度下的许用
47、拉应力；Fv工作温度下的许用剪应力。,15 核安全级设备抗震鉴定试验,设备抗震试验是设备的质量鉴定的一部分。设备抗震的试验件应是经老化试验的试验件，因此设备的质量鉴定次序应按老化（热老化、辐照老化、运行老化、振动老化）地震LOCA环境鉴定的次序在同一试验件上进行。,15.1设备抗震鉴定试验在设备鉴定中的排列次序,15.2 试件的安装要求和测点布置,试验件的安装方式应与实际安装条件相符,安装条件包括安装方向和安装方式均应与实际相符合,安装方式包括固定方式,如螺栓连接还是焊接,地脚螺栓的数量和大小,排列方式,焊接的形式和长度等。另外外接电缆、水管、气管、油管等应尽可能与实际安装情况相同。,15.2
48、试件的安装要求和测点布置,应在设备的典型部位（预计对功能有影响的部位或应力，变形较大的部位）布置足够的加速度、位移、应力、应变传感器，以监测设备输入运动和设备典型部位的响应，经过数据处理可得到它们的各阶振型、自振频率和阻尼等。,15.3 试验件的选择,试验模型一般采用1：1足尺模型，即采用原型设备进行试验鉴定。如果由于试验设备的限制，原型设备尺寸太大，则可采用缩尺模型进行试验，但必须满足相似准则。应当指出，经过振动台试验过的鉴定试验件一般不应作为产品安装于核电站，除非能证明由于抗震鉴定试验所带来的累计的应力循环所引起的疲劳不会使设备降级，影响其履行安全功能的能力。,15.4 抗震鉴定试验程序,
49、设备抗震试验鉴定的程序如下:1)首先列出抗震1类设备的一览表。2）然后在结构相似的大量设备中，选择出有代表性的设备，即称之为典型设备。3)制定出鉴定的方法和程序以及鉴定验收标准（即试验大纲）；4)初步检查（包括检查设备和试验文件的完整性及设备是否已经过老化试验）；5)功能试验（如果老化试验后已进行，可不做）；6)对典型设备进行抗震鉴定试验（包括功能检验）；7)写出鉴定报告，并按设计规格书的要求对鉴定结果做出评价。,15.5 抗震鉴定试验步骤,通常，抗震鉴定试验按下列步骤进行：1)动态特性探查试验；2)抗震性能试验（试验中包括功能试验），和（或）极限试验（如果需要的话）；3)最终检验。,15.5
50、 抗震鉴定试验步骤,15.5.1 动态特性探查试验目的,1)通过探查试验可查明设备的自振频率,振型、阻尼等，了解设备的固有动态特性。可以根据实测的振型确定测点的布置。如果抗震性能试验采用单频拍波方法，可以根据实测的设备自振频率和探查试验的其它结果与设计要求反应谱结合选择激励的频率和幅值。2)通过探查试验，验证数学模型的合理性，并以此论证计算的设备地震响应的正确性。3)可根据试验结果修正数学模型，并为数学模型的正确性提供依据。,15.5 抗震鉴定试验步骤,15.5.2动态特性探查试验的方法,动态特性探查试验的激励，一般采用：1)输入幅值不大于0.2g的正弦波连续扫描在1501Hz范围内或从1Hz
