某核电站主控室局部隔振分析

付爱群，丁志新，汤丽芳

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳518172)

1 概 述

主控室是核电厂的集中监控中心，鉴于主控室的特殊功能，在实现监控功能的同时，要尽可能地为操作人员提供舒适的工作环境. 某核电厂的主控室位于核岛厂房内部较高楼层处，周边设备正常运行产生的噪音及振动对主控室工作环境产生较大影响，且其布置位置较高，地震作用下结构响应比较大，对安装在其上的设备要求较高. 因此，为提高主控室的舒适性及降低地震作用对设备的影响，需对主控室进行隔振处理［1］.

隔振是采用特殊装置来隔离地面或楼面振动对其上部结构及设备、设施影响的一项技术.振动的能量大部分由基础隔振支座和消能装置吸收，从而使上部结构和设施减少振动的影响，以保证结构物上的重要设备及仪表的正常运行［2］.

隔振支座类型主要有橡胶支座和弹簧支座等［3］.文中的这个项目采用的是弹簧支座隔振系统，利用弹簧弹性支撑来降低振动影响.注意要合理选择弹簧刚度，避免因垂直方向柔度增大而导致的摇摆振动.该弹簧隔震支座系统可以同时设置黏滞阻尼器，用来抵抗和吸收振动的能量，限制隔振体系产生过大位移.

2 主控室方案

该核电厂主控室位于核岛安全厂房16.3 m 标高楼板处，采用“房中房”的设计方案:即将主控室的设备置于一个与核岛厂房相对独立的一个钢结构厂房内，通过钢结构下部的隔振支座与安全厂房16.3 m 楼板相连，整个主控室钢框架支撑在18 个弹簧支座上面，该方案剖面如图1所示.弹簧支座主要由上下承托、弹簧、预应力杆组成，隔振支座带有黏滞阻尼器，如图2所示.

图1 核电厂主控室“房中房”设计方案剖面图

图2 弹簧支座示意图

主控室钢框架平面尺寸约为13.2 m×16.8 m，高为4.82 m，为周边支撑的大跨度结构，重约105 t.构造上，主控室钢框架的底板、顶板及四周侧墙均用6 mm的钢板屏蔽消音，并加设消音板. 在钢框架底板处，采用100 mm 厚岩棉板;在钢框架的侧墙及顶板周围，采用120 mm 厚玻璃棉板.这些建筑构造措施的采用，降低了外部噪音对主控室的影响，提高了主控室的舒适性.

3 主控室模型的建立

采用SAP2000 软件对上部结构及支座进行模拟，分析正常运行阶段结构的响应.主控室所受的主要振动为地震作用下的楼层响应，地震动输入为所在厂房16.3 m 楼板反应谱对应的加速度时程，对其进行线性动力时程分析，建立一个不含支座固定在楼板上的上部结构模型，采用同样的振动输入，进行比较分析.未带阻尼支座采用“线性连接”单元模拟支座刚度，带阻尼支座采用“线性连接”和“黏滞阻尼”单元分别模拟支座刚度及阻尼［4］. 主控室采用有阻尼支座，提供3 个方向阻尼，阻尼力与速度成正比，阻尼系数0.25. 主控室支座节点编号如图3所示，各支座节点刚度、阻尼信息见表1.

图3 主控室支座节点编号

表1 支座节点刚度、阻尼信息

4 计算结果分析

有、无隔振支座2 种方案模态计算结果见表2.各支座在各向地震作用下的变形量见表3.

表2 主控室模态计算结果

表3 各支座相对位移值 mm

经分析各阶模态下质量参与系数及振动形态［5－6］知:无隔振支座方案下，因该结构为仅在四周有支撑的大跨度钢结构，前10 阶振型均为屋面板的局部振动;增加弹簧隔振支座，合理设置阻尼器后，结构频率降低明显，尤其是模态2 及后续模态;振型阻尼比大大增加，主控室结构的整体性能非常好，前3 阶振型均为平动，前7 阶振型X，Y，Z 3 向累计质量参与系数达到了100%.由表3知，水平向地震作用下各支座变形偏移量最大偏差小于0.5%，竖向地震作用下变形偏移量最大偏差小于5%.

选取钢结构屋面代表性节点8，12，30，36，1948进行研究，其地震作用下(水平向X，竖向Z)的绝对加速度及基底反力分别见表4和表5.

表4 地震作用下的绝对加速度响应 m/s2

表5 地震作用下的基底反力响应 kN

在水平地震作用下，钢结构屋面各点的加速度是不一致的，增加隔振支座后，屋面各节点间呈现出平动的特性，且水平向绝对加速度降低60%左右，水平向地震作用下结构基底反力降低70%以上.

在竖向地震作用下，因该钢结构为竖向支撑的周边布置的大跨度结构，相比屋面周圈节点的绝对加速度降低不明显，屋面中间节点绝对加速度降低比较明显，越靠近屋面中心，降低幅度越大. 竖向地震作用下结构基底反力降低30%以上.

为评价隔振效果及其对主控室设备的影响，选取支座节点278 进行楼层反应谱对比分析［5－6］，阻尼4%，频率不拓宽. 楼层反应谱如图4和图5所示.

从图中可以看出:水平(X，Y 向)隔振效果很明显，峰值加速度降低63%，零周期加速度降低38%，仅在低频段(0.3 ～1.2 Hz)有些放大，且不明显;竖向隔振效果没有水平向明显，峰值加速度降低16%，零周期加速度降低7%.

图4 楼面水平向楼层反应谱

图5 楼面竖向楼层反应谱

5 结 语

采用文中的弹簧支座与黏滞阻尼的隔振方案，水平向地震作用下隔振效果非常显著，竖向地震作用下也有一定的隔震效果. 隔振支座、周边钢板、消音板及吸音棉的使用可以有效降低主控室外围振动及噪音对主控室设备及工作人员的影响，使得主控室有个良好而独立的工作环境.

［1］王燕.隔震技术及其在核电站中的应用［J］.河北建筑工程学报，2004，22(1):38－41.

［2］杨光，庞定慧.隔振技术在建筑中的应用［J］.华北水利水电学院学报，2001，22(2):39－41.

［3］谢礼立，翟长海.核电工程应用隔震技术的可行性探讨［J］.地震工程与工程振动，2012，32(1):1－10.

［4］葛楠，陈海彬，谷学静.结构减震隔震分析与计算［M］.北京:中国电力出版社，2013.

［5］傅金华.日本抗震结构及隔震结构的设计方法［M］.北京:中国电力出版社，2013.

［6］北京金土木软件公司. SAP2000 使用指南(中文版)［M］.2 版.北京:人民交通出版社，2012.