文摘
1:8模型涡轮发电机振动隔离基金会共同岛屿的核电站建立了振动特性测试和似动力实验。SeismoStruct建立的有限元模型进行时程分析。频率,模态形状和地震反应,变形曲线,弹簧变形进行了比较和分析。测试的结果和实验表明,弹簧隔振基础的固有频率低于常见的框架基础和垂直频率远离涡轮发电机的工作干扰频率的单位。弹簧隔振装置可以降低TG的加速度响应(涡轮发电机)甲板和重新分配的水平地震作用的基础根据刚度充分发挥的抗震能力列。自然振动频率和最大地震响应的误差约15%和10%,分别仿真结果有很好的一致性测试和实验数据。弹簧变形接近的比例和分布,并测试研究显示方便和精确的仿真实现。地震实验和数值模拟的结果表明,基础设计符合标准的“建筑抗震设计规范》”在中国,它实现了弹簧隔振和抗震稳定性的目标。基础设计也合理,安全,可靠。
1。介绍
统计(1]显示,40多个核电单位在中国大陆已进入商业运营,大约20单位在建,额外的单位准备建成或正在计划。图1显示了核电站的分布在中国大陆。涡轮发电机(TG)的“心”是发电厂和电力系统。TG是核心组件在火电或核电。核能的结构传统岛携带整个TG单位,涡轮的基础不仅承担巨大的设备重量,而且处理的动态负荷涡轮。图2是一个典型的传统的汽轮机基础(2]。使用半速TG与核能的发展将不可避免地增加设计自主和大规模的单位功率。然而,其25 Hz操作频率接近垂直的基本频率共同框架的基础上,这是容易产生“共振”的效果,不利于单元操作。
春天隔离技术首次应用于TG 50多年前。研究人员(3)发现有两种策略来降低汽轮机的地震响应基础:一是减少结构的基本频率,另一个是提高系统的阻尼。弹簧隔振系统,分离了TG甲板和列,可以满足上述两点。这个系统不仅大大降低了垂直的固有频率,还适当地调整整个系统的阻尼。尽管许多工程实例弹簧隔振基础的发现在国外,没有真正的系统的理论和实验研究,仅限于TG的实测工作状态(4),不可用。然而,使用弹簧隔振基础的传统核电岛在中国当时没有先例。因此,有效地执行设计选择、理论分析、实验研究和现场测试是必要的。中国的专家和学者进行了大量研究。罗等。3讨论了抗震性能的三个例子使用弹簧隔振基础和地基模型,获得了类似的结论,尽管差异计算程序,计算假定、计算方法。弹簧隔振基础还可以减少汽轮机基础的基本频率,和阻尼器的使用来提高系统的阻尼比可以有效降低地震反应。朱和陈5)建立了弹簧隔振系统的动力学方程并进行了有限元分析。研究结果表明,弹簧隔振阻尼元素可以推进整个结构体系的基本频率,降低工作频率下谐振的可能性。歌等。6)进行了一系列的研究基础选择、设计标准、振动分析和现场试验的第一凌'Ao二期半速机弹簧隔振基础在中国。结果表明,弹簧的垂直一阶频率基金会的工作频率远小于半速单位有效的动态特性。的加速度响应TG甲板可以减少弹簧隔振,具有良好的抗震性能和基础。弹簧隔振基础的应用在传统核电岛已经成功。实验研究是一种必要的验证和理论分析和现场测量的一个重要补充。邵et al。4,7)进行了第一个综合模型试验弹簧隔振基础的TG单位。测试结果表明,改进的弹簧隔振基础的抗震性能,和阻尼比的增加有利于抗震性能的改善。考虑动态特性,整体计算模型是接近试验结果。弹簧隔振基础的最佳选择是半速TG 25 Hz的工作频率。研究人员倾向于提供更多关注动态特性的影响汽轮机基础TG甲板振动和执行大量的调查做了考虑常见或spring的基础(8- - - - - -12]。春天隔离技术的应用和其他先进的研究方法,李et al。12)建立了TG甲板和春季隔离基础振动试验台相结合。特别是春天TG甲板上隔离基础振动的影响。300 MW turbine-generator-foundation系统分析在地震(13]。一个新的地震隔离系统研究了基于弹簧管括号(14]。户珥和公园(15)评估地震隔离设备在地震荷载作用下的适用性。
TG基金会有以下特点。(1)装机容量和气缸数影响的TG甲板条件。因此,选择基础和分配单元,以满足动态特性的TG甲板操作是必要的。(2)工艺要求不同制造商导致不同形状的结构或位置的不同部分的基础。(3)基础的结构是复杂的,上部结构和设备的重量很大,和TG甲板梁的尺寸很大。与此同时,降低冷凝器占用的空间很大。然而,列的大小相对较小。区别TG地基模型的基础实验(4,16- - - - - -20.是相当大的。因此,研究不同分别是必要的。尤其是对弹簧隔振基础,基础的整体动态特性会改变明显当弹簧隔振器放置在顶部的列。建筑抗震设计规范》(2016)(21规定,“当一个复杂的结构采用隔振设计,设计方案确定后模型试验。”
弹簧隔振基础的抗震性能研究TG单位本文通过物理模拟和数值模拟。首先,1:8弹簧隔振基础的TG单元模型相似理论设计和制造。的基本频率和模式形状基金会得到的自然特性试验。然后,在中国当前的代码和制造商的要求表明,加速时间的历史7-degree设防地震输入,和水平地震作用下的抗震性能研究的基础是似动力实验。同时,有限元软件SeismoStruct用于模拟春天基金会和仿真结果与实验结果进行比较。最后,基础的抗震性能的评估和类似测试的建议来指导设计和测试加载的这种结构。
2。试验研究
2.1。模型设计和制造
采用框架结构,涡轮弹簧隔振基础的规模比模型1:8。的计划和部分模型如图3,图中的尺寸表示毫米,和模型相似22)提出了表1。模型材料是类似于实际工程的原型。的纵向钢筋梁,柱,板HRB400,马镫HPB300, C40混凝土强度等级。上述成绩是中国代码值。地基模型的配筋率与原型相似。质量相似的原则表明设备用于TGs的质量是由铸铁块模拟,和质量块的位置是一致的与设备。混凝土底座由脚螺栓固定在实验室的地板上。混凝土施工的整个基础结构分为五个部分。五个部分如下:底座,列和单层平台,列和两层平台的上部柱,TG甲板上。弹簧隔振装置安装后的上部柱构造。 The completed model used in natural characteristic tests and seismic experiments is shown in Figure4。每个弹簧的刚度隔离装置安装在模型如表所示2。
2.2。固有振动特性试验
2.2.1。仪表
动态信号分析仪,数据采集,以及模态分析软件中使用的自振特性试验都是来自比利时LMS国际公司。加速度和力传感器获得从PCB公司在美国。
2.2.2。测试方法
多点空间激发多点三维测量方法被用来测试模型的自振特性。三个激发点被选为水平横向(X方向)、横向纵向(Y方向)和纵向(Z方向)激发点对模型施加激励力量,和几个测量的响应点选择按照模型的特点在三个方向测量。的激发,横向纵向方向(Y方向),如图4。
2.2.3。测点布置
条件下,激发能的形式分布于整个基础,测量分排列,建立了激励测量模式。图5显示,30号的激发点,3,15X,Y,Z方向,分别。
2.3。似动力测试
2.3.1。测试设置
似动力测试适用于大型模型试验。致动器是用来对模型施加影响。因此,应用效果的影响是类似的地震。涡轮发电机的基础可以建模为一个自由度(应用)23]。采用单点加载。两个水平轴的固有频率的春天隔离基础研究非常接近。施加地震行动春季隔离在两个方向是必要的基础;即地震测试分为纵向和横向方向。
2.3.2。加载系统
似动力测试是computer-actuator在线测试。的额定负载水平液压伺服执行机构用于本文500 kN,中风是250毫米。重力效应通常是被忽视的传统动态特性测试。然而,在似动力弹簧隔振基础的考验,重力效应将影响弹簧的垂直变形。因此,垂直预压液压系统被添加到本文似动力测试装置来模拟重力的效果。试验加载装置和现场数据所示6和7。
(一)
(b)
(一)
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2.3.3。测量方案
线性可变差动位移传感器被安排在中间平台(1和2的故事),列前,梁和柱关节中间平台的实时测量模型的位移在似动力测试。位移传感器数量如图3。
2.3.4。地震波的选择
项目的设防烈度7度中国的代码,基本设计加速度是0.1克,地震分为第一组和网站类别II。首先,选择两个典型的强烈地震记录后制造商的要求,即帝王谷(美国,1979年)和阿拉斯加(美国,2002年)。然后,代码使用反应谱为目标谱,和一个迭代生成人工地震波。每个地震波加载在两个方向上。数字地震加速度时间历史调整按照设防烈度,高峰值调整为0.1 g, 7-degree设防地震基本加速度。地震波的响应谱用于似动力试验,分别如图8和9。根据不同方向的输入地震波,似动力测试可分为六个工作条件,如表所示3。
(一)
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2.3.5。参数
表4列出了似动力测试中使用的测试参数。
3所示。有限元分析
SeismoStruct用于本研究模拟地基模型结构的地震响应。这个项目可以考虑几何和材料非线性行为结构时程和艾达分析。
3.1。材料模型和元素类型
混凝土和钢筋的材料参数数值模拟中使用的同意的测试。钢筋Menegotto-Pinto模型(24)采用钢筋的本构关系,适合重复加载。混凝土采用混凝土的非线性本构模型(25]。梁和柱的截面简化测试后图纸和个人立场。可以定义部分直径、位置和纵向钢筋和箍筋的数量。基于位移InfrmDB元素用于梁柱元素。横截面纤维的数量是150,横截面的形状略有不同。采用瑞利阻尼,阻尼比是0.05。link元素是用来模拟弹簧隔振装置,和一个线性模型。水平和垂直刚度符合弹簧隔振装置中使用的实验模型。额外的质量是符合铸铁质量块的位置和大小的测试。根据上述选择,SeismoStruct TG春天基金会的模型本文图所示10。图揭示了分裂和梁柱截面元素的近似大小。绿色广场,蓝色方块,灰色的方块,和绿色箭头,分别表示附加质量,弹簧元素,列下整合和地面运动输入的位置和方向(以纵向为例)。
3.2。地震动输入
似动力测试,地基模型近似为一个等效单自由度系统,因为设备重量集中在TG甲板和致动器作用于TG甲板的高度。SeismoStruct数值模拟不需要让这个近似。直接输入地震运动的位置底部的列。
4所示。结果
4.1。固有振动特性
以下4.4.1。固有频率
自然振动测试的频率结果转换为原型根据相似比。本文主要比较了模态试验和数值模拟的结果。用于数值模拟两种方法:一种是SeismoStruct模型,另一个是STARDYNE程序采用的制造商,它使用酒吧元素。在这些方法中,计算模型的STARDYNE分为甲板模型(不考虑下面的结构隔振装置)和整体模型(TG甲板和子结构考虑列和中间平台)。表5比较了固有频率的实验和数值结果。前六的频率和模态形状显示测试结果有很好的一致性与数值模拟,误差很小,表明数值模拟是合理的。在第一个六个订单,低阶模型试验的结果小于数值模拟,而高阶模型试验的结果。这个结果表明,数值模拟作为结束的列合并,使整个结构的刚度,从而导致的振动TG甲板上。此外,数值模拟的结果包括柱的振动,和数值模拟的结果是较小的。总的来说,STARDYNE模型是接近实验结果。结果表明,弹簧隔振基础的固有频率很低,和垂直的固有频率远离单元操作干扰频率(25 Hz)。
4.1.2。模式的形状
图11是模型的模态形状图。左边列出了测试结果,整个模型的结果STARDYNE列出在中间,SeismoStruct模型的结果在右边列出(没有附加质量和弹簧元素所示)。第一个六个模型的振动模式是整个平台的振动板,显示弹簧隔振装置可以单独列的基础平台板,实现一定程度的动态解耦。因此,平台的动态传输板列中可以减少的操作单元。
4.2。地震测试
4.2.1。准备地震响应
似动力试验得到地震反应应用于基础转换为原型的结果根据模型和原型的相似比。表6列出了最大值和比较实验和模拟结果之间的基础在各种条件下地震响应。SeismoStruct是用来模拟地震响应,检测结果的误差为10%左右。结合3.1.1固有频率的讨论,由数值模拟建立模型的刚度比的实验模型,特别是弹簧隔振装置和列之间的联系和上甲板。从恢复力和位移的角度,仿真结果大于实验结果约15%,这与自振特性的分析是一致的。
抗震规范的要求表明,基础底板之间的结构缝和植物结构作为1.2倍最大位移的TG甲板,不得少于200毫米。试验结果表明,1.2倍的基础底板的最大位移小于200毫米。因此,增加结构缝这是不必要的。
基金会的放大倍数(最大响应加速度分歧最大输入加速度)只有0.91当7-degree设防地震输入。这个因素出现在工况5小在其他工作条件。弹簧隔振基础的水平刚度大大低于刚性常见的基础。一阶固有频率测试值是0.92赫兹(时间1.09 s),计算值为1.04赫兹(时间0.96 s),和主要的周期是0.35年代离开网站。这一发现表明,弹簧隔振装置延长基础,结构自振周期和地震影响系数(放大系数)进入更有价值反应谱的一部分。弹簧隔振装置提高抗震性能的基础。
4.2.2。地震力的响应
图12显示了每个条件下地震响应时间的历史力量。
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4.2.3。地震位移响应
图13显示了一个比较之间的位移地震响应每个条件下的测试和模拟。两种方法的时程曲线的趋势是相同的,大小接近。在第一种情况下,测试几乎是一样的第一个20多岁的模拟和测试曲线偏离在20年代。此外,残留在测试之后还观察到,这表明差距的存在基础和横向加载装置。后续实验修正这个问题,没有类似的情况再次发生。位移时程曲线的趋势和大小在横向荷载的三个条件是相对一致的。这一发现表明,数值模拟是正确的,可以模拟基础的位移响应和变形。当纵向加载曲线,仿真结果都要比其他的实验,如10 - 20年代的条件2,10 - 15 s条件4,50 - 55和80 - 90年代条件6。
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4.2.4。变形分析
图14显示的最大地震位移响应在不同的位置在实验条件下,数值模拟的基础。测量的位移点排列在每一列从下到上,两个媒介平台,列顶部和上甲板。C2列的部分和M1 / M2平台横向载荷为例,虽然C7列和M3 / M4平台是纵向荷载作为例子。在这些例子中,B6和B7的测量分单层平台梁,B2和B5测量分两层平台梁,B2和B6是横向测量点,和B5和B7是纵向测量的点。图显示的变形在每个位置的基础是线性的,这符合单自由度的似动力实验假说。实验和模拟变形曲线基本上是相同的横向载荷作用下的基础。的上部柱的变形情况1和5比在其他情况下。这种现象可能是由于刚度下降造成的单独浇注的部分。纵向加载下的致动器的加载位置的位移测量位置。基础的变形沿高度线性应用地震作用后,和测试变形曲线平滑。 The upper part is free in the numerical simulation, and the stiffness ratio is the main factor of deformation. The constraint of the one- and two-story platforms induces the deformation curve on the break point, and the simulation curve shows that the spring deformation is large.
(一)
(b)
4.2.5。弹簧变形
最大的差异和共同基础在于刚性弹簧隔离分开的设备列从顶部甲板,这将不可避免地导致不同位移的列在水平地震作用下框架的基础。图15是一个比较每一列的顶部位移和甲板的人工合成波的作用下,典型的记录帝王谷,和阿拉斯加7-degree设防地震横向载荷作用下。上半年是实验结果,下半年是仿真结果。顶部的位移连接列的春天隔离器顶部的基地C2 / C3 / C4 / C5 / C6列大的刚度;因此,弹簧的变形很小,这显示了大位移的列。列的顶部的最大位移出现在C3和C4两个低压缸之间的每个条件。这种现象是由于缺乏其他列之间的连接和整个结构除了通过弹簧隔振器和前甲板,刚度的列是低于其他列。在实验条件下,位移C7列在最后的高压缸基础大,断裂点的连接线出现在C6。这种情况不在的模拟可能是因为刚性中心基础平台不配合重心,和纵向尺寸很大。此外,该基金会演示了少量的扭力横向载荷作用下。
表7显示了比较的最大位移弹簧的上甲板,得到不同条件下的测试和模拟。C3和C4列的尺寸都是一样的,和横向刚度的弹簧隔离器是相似的。弹簧变形应该一律平等无论似动力实验的前甲板装载或底部的数值模拟加载的列。表中的数据7只有证明这一点。春天的比例变形C3和C4的顶部垂直加载应用时是完全平等的。垂直加载时的地基模型略有扭曲,和两个仍然非常接近。列的顶部位移刚度的弹簧变形是不同的,因为每个列和相应的春天隔离器是不同的。然而,弹簧变形占大约20%的平台的位移比,和一些变形超过40%。反向变形值分布列和弹簧的刚度。列的顶部位移大小刚度分别是大型和小型。弹簧隔振装置存在的重新分配列的地震作用,诱发统一列的力量,充分发挥了每一列的阻力,并改善抗震性能的基础。
4.2.6。甲板上位移的比较
弹簧隔振基础结构的一个重要组成部分。维护数值模型,只有春天光电隔离器移除,混凝土框架梁、柱是固定的。基础底板的地震响应是在相同条件下进行了研究。表8显示了比较的最大位移TG甲板前后隔离使用spring光电隔离器。的最大位移TG隔离小于后隔离前甲板。虽然春天隔离器可以帮助基础结构的固有频率避开机器的振动频率,由于其横向刚度小,水平地震下结构地震反应的影响比较大。
5。结论
1:8规模弹簧隔振基础的传统岛核电TG单元,包括自振特性试验,似动力地震实验,和有限元仿真,研究了全面。结果转化为原型根据相似原理,和测试的比较分析和仿真。主要结论如下:(1)第一和第二模式基础的横向和纵向的翻译相应的频率为0.92和1.01。SeismoStruct模型建立了本文的结果是相同的测试。第一次和第二次的频率是1.06和1.12,分别。整个模型更接近试验结果。固有振动特性的结果表明,弹簧隔振基础的固有频率较低,和垂直固有频率远离单元操作干扰频率(25 Hz)。(2)似动力测试,的最大响应加速度,速度,位移和恢复力涡轮机底座下7-degree设防地震0.91 m / s2,0.19 m / s, 47.42毫米,12367 kN,分别;在数值模拟中,的最大响应加速度,速度,位移和恢复力的涡轮机底座下7-degree设防地震0.93 m / s2,0.19 m / s, 48.59毫米,14444 kN,分别。(3)在地震的作用下,弹簧隔振基础板的加速度不放大,和设备可以保护汽轮机减少在地震加速度的影响。(4)隔振弹簧在抵抗地震是至关重要的。隔振弹簧分开列和平台,以及列的顶部的位移不再是平等的。水平地震力在整个基础上调整弹簧隔振装置和分配给每一列,充分发挥每一列的抗震能力。(5)比较结果与物理模拟和数值模拟,该基金会由有限元法模拟使用SeismoStruct软件。自然振动特性的误差为15%左右。地震响应的最大误差约为10%,地震位移响应曲线的趋势是相同的,和大小关系密切。变形曲线的近似程度在每个位置的基础是相对较高的。弹簧变形的分布是一致的,和春天TG甲板变形位移的比例接近。从本文的研究对象,仿真效果令人满意,可以满足项目的需要。(6)的比较结果的最大位移TG甲板之前隔离,隔离泄露的最大位移TG甲板隔离后约6倍,基于地震隔离测试前。(7)结果表明,基础设计符合标准的“建筑抗震设计规范》在中国和达到弹簧隔振和抗震稳定性的目标。根据抗震规范的要求,1.2倍的基础底板的最大位移小于200毫米。(8)测试过程和结果表明,地震试验的加载方式对结构的地震响应有影响,在未来需要进一步研究。数值模拟在未来应进行补充研究这种结构的抗震性能。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持的北理工大学青年人才支持计划。作者深深地表示真诚的谢意。