匹配设计反应谱的目标功率谱密度的确定方法

美国核管会标准审查大纲（SRP）3.7.1节要求，核电厂结构、系统和部件（SSCs）抗震设计时程需同时满足包络设计反应谱和匹配设计反应谱的目标功率谱密度（PSD）的要求。本文结合2014版SRP 3.7.1，对匹配设计反应谱的目标PSD的确定方法进行介绍，并根据其算法编写相应的计算程序，通过算例分析对程序结果进行验证。结果表明:计算所得RG1.60谱、美国中东部和西部基岩厂址谱的目标PSD与SRP 3.7.1结果具有较好的一致性，且基于本文所得目标PSD和三角级数叠加法所构造的加速度时程反应谱与设计反应谱匹配良好。本文所给出的目标PSD的确定方法可为核电厂抗震设计时程的PSD检验提供重要依据，且采用本文方法生成目标PSD，设计时程的PSD检验仅需包络该目标PSD的70%。      

核电厂设备抗震设计标准功率谱密度的生成方法

对于核电厂设备抗震设计的输入地震波,通常要求其同时包络目标反应谱（RRS）和标准功率谱密度（PSD）,然而目前国内外对标准PSD缺少统一的算法。在美国核管会标准审查大纲（SRP）3.7.1建议的标准PSD生成方法基础上,优化了迭代过程,提出了一个改进的标准PSD合成方法,并在2个核电设备RRS算例上实现了该方法。结果显示改进的标准PSD生成方法与RRS匹配程度较高,同时计算快速、简便,收敛精度与基于随机振动理论方法计算的结果相似,此法可以作为核电厂设备抗震设计输入人工地震波的标准PSD检验依据。      

核设备抗震鉴定试验目标PSD生成方法研究

为避免抗震鉴定试验用人工时程能谱特性失真,需满足功率谱密度80%包络的要求。从楼层反应谱、傅里叶幅值谱和功率谱密度之间的互相关系入手,开展楼层目标功率谱密度生成方法的研究。分别采用Kaul公式法和SRP3.7.1附录A快速傅里叶变换法,将楼层反应谱和人工加速度时程转换为功率谱密度。通过对比分析不同方法的基本假设和不确定性以及获得功率谱密度的形状、峰值的差异,推荐用生成楼层反应谱的原始响应时程进行快速傅里叶变换的方法作为目标功率谱密度的生成方法。     

核电厂楼面反应谱的人工合成地震动时程方法对比分析

为满足核电厂核岛内部结构、系统和部件(SSCs)的抗震分析需求,采用2种典型算法(频域调幅法和时域叠加法)来合成匹配核岛内部楼面反应谱的人工时程。通过算例分析,对比2种算法在反应谱匹配精度、时程非平稳特性、相位、基线漂移等方面的优缺点及其与美国核管理委员会(NRC)颁布的标准审查大纲(SRP)第3.7.1节要求的符合性。结果表明:在反应谱匹配精度(特别是多阻尼反应谱)、时程非平稳特性的改变、基线漂移的控制上,时域叠加法均优于频域调幅法;但频域调幅法可较完整地保留种子时程的相位信息,适合于SRP 3.7.1对时程相位有特殊要求的分析。     

核设备抗震鉴定试验中的功率谱密度问题

国家核安全局于1995年发布了《核设备抗震鉴定试验指南》（HAF·J0053）,对我国核设备抗震鉴定工作起到了很好的指导作用.《指南》的“多频波法”要求“由每个人工加速度时程计算出的在频率0.3Hz至24Hz范围内的功率谱密度（PSD）曲线必须包络由要求反应谱计算出的对应频率范围的功率谱密度80％的曲线”.但如何根据“要求反应谱”推导出具有合理保守性的可接受的“功率谱密度”是至今尚未解决的问题,这给核安全监管工作带来很大困惑.本文首先从编制《指南》的主要参考蓝本入手,分析了功率谱密度要求的意义及必要性;然后从反应谱和功率谱密度的定义和计算方法着手,结合“合理保守性”的监管原则,探讨从“要求反应谱”推导“最低可接受功率谱密度”的方法;最后,对我国今后相关的规范标准制定和修订工作以及核安全监管工作提出建议.     

同时满足反应谱匹配和功率谱密度包络要求的人工时程生成算法

人工时程是核电站反应堆厂房楼层反应谱计算的关键输入数据.采用单组人工时程分析法不仅需要匹配目标反应谱,而且要满足功率谱密度的包络要求.本文提出同时满足目标反应谱匹配和功率谱密度包络要求的人工时程生成算法.该方法在分别与目标反应谱和功率谱密度对应的有效频率带宽内调整傅立叶幅值谱,并通过迭代达到要求.数值算例表明,该算法得到的人工时程在对目标反应谱拟合精度较高的同时,满足对功率谱密度的包络要求.     

拟合目标反应谱的高精度人工加速度时程生成算法及应用

加速度时程是核电厂结构和部件开展抗震分析和试验的重要输入。本文基于改进的窄带时程构造形式,综合应用频域法和时域法,提出一种拟合目标反应谱的高精度人工加速度时程生成算法,通过RG1.60标准反应谱和两个复杂度不同的楼层反应谱拟合测试以验证算法的有效性和稳健性。结果表明：对目标反应谱的拟合相对偏差最大不超过10%;迭代次数少,拟合收敛性好。本文提出的算法可生成高精度的符合法规要求的人工加速度时程,对于核电工程抗震设计具有重要的应用价值。     

利用HHT产生与多阻尼楼板谱匹配的地震波

美国原子能管理委员会（USNRC）规范规定了用于核电厂抗震分析和设计的地震波要求。在抗震分析和设计中，采用的地震波可与多阻尼目标反应谱匹配，也可与单阻尼目标反应谱匹配。然而，在对核电设备和部件进行动力时程分析时，则需要与多阻尼目标楼板谱匹配的地震波。基于此问题，提出利用希尔伯特-黄变换（HHT）方法，通过修改种子地震波的频率和振幅信息，使之与多阻尼目标楼板谱匹配，且完全符合USNRC规范的匹配标准，从而为核电设备和部件的地震安全评估提供合适的地震激励。      

抗震分析反应谱与时程积分方法和数值分析对比研究

在核电站主设备设计阶段,通常采用反应谱分析方法或时程积分方法对设备进行抗震能力分析。为获得多个间隙造成的地震非线性因素影响,本文以控制棒驱动机构(CRDM)为例,基于ANSYS软件,采用了改进的反应谱方法进行分析,并与时程积分法进行了对比。计算获得CRDM密封壳在各个标高上的剪力和弯矩。结果表明,改进的反应谱法所获结果能体现结构地震动态特性,与时程分析方法结果基本一致,为设备抗震设计提供指导思路。     

LGM冷冻水机组（DEL）抗震分析加速度时程的确定

本文针对LGM冷冻水机组（DEL）抗震分析的实际问题,应用相关的程序,对由机组所处标高处加速度楼层反应谱（RRS）计算得到的人工地震加速度时程进行了相关性分析校核,并对此人工加速度时程进行了频谱及功率谱密度计算,表明此处采用的人工加速度时程的频谱及功率谱密度包括目标谱（RRS）及其功率谱密度的80%,满足有关规范的要求,可以作为DEL时程分析的输入,同时也说明本文采用的分析方法是可行的,为并今后进行类似工作提供了有益的参考。     

核电厂电气厂房地震响应敏感性分析

利用人工地震波生成算法,探讨考虑土壤-结构相互作用的核电厂电气厂房地震响应动力分析模型和计算方法。通过比较楼层反应谱,研究岩土材料参数和载荷的不确定性对结构响应的影响。结果表明:岩土材料参数对核电厂电气厂房地震响应的影响更大,单一岩土材料参数下计算得到的拓宽后的楼层反应谱不能完全包络参数变化带来的地震响应差别。即使最终的反应谱大于或等于各种不同岩土参数下的楼层反应谱,仍有必要对不同岩土参数下的楼层反应谱做包络。     

Soil–structure interaction in fuel handling building

This paper presents an accurate three-dimensional seismic soil–structure interaction analysis for large structures. The method is applied to the fuel building in nuclear power plants. The analysis is performed numerically in the frequency domain and the responses are obtained by inverse Fourier transformation. The size of the structure matrices is reduced by transforming the equation of motion to the modal coordinate system. The soil is simulated as a layered media on top of viscoelastic half space. Soil impedance matrices are calculated from the principles of continuum mechanics and account for soil stiffness and energy dissipation. Effects of embedment on the field equations is incorporated through the scattering matrices or by simply scaling the soil impedance. Finite element methods are used to discretize the concrete foundation for the generation of the soil interaction matrices. Decoupling of the sloshing water in the spent fuel pools and the free-standing spent fuel racks is simulated. The input seismic motions are defined by three artificial time history accelerations. These input motions are generated to match the ground design basis response spectra and the target power spectral density function. The methods described in this paper can handle arbitrary foundation layouts, allows for large structural models, and accurately represents the soil impedance. Time history acceleration responses were subsequently used to generate floor response spectra at applicable damping values.     

考虑竖向地震动影响的某核电安全壳地震易损性研究

核电厂等重要基础设施的抗震设计和评估需要考虑竖向地震动影响,目前竖向地震动对核电安全壳地震易损性影响研究还较少。本文进行了考虑竖向地震动影响的核电安全壳地震易损性研究,分析了以水平向场地相关谱为目标谱选取的地震动记录的不足,提出了同时匹配水平和竖向场地相关谱的地震动选取方法,选取了指定场址的水平和竖向地震动记录。采用增量动力分析方法,基于选取的水平和竖向地震动,分别进行核电安全壳水平向地震动作用下与水平和竖向地震动联合作用下的易损性分析。采用基于混合易损性数据的易损性分析方法,得到了具有置信度的易损性曲线和高置信度低失效概率。分析结果表明：竖向地震动对安全壳抗震能力和地震易损性有较大影响。     

核电厂辅助给水系统水箱抗震分析研究

本文针对成熟M310堆型核电厂储液容器辅助给水系统(ASG)水箱,根据ASCE 4—98,采用基于壳模型的有限元法以及两种不同的地震输入,完成了抗震分析,并依据RCC-M规范J篇进行了地震屈曲评价。结果表明,ASG水箱原设计存在一定的地震屈曲风险。在此基础上本文对ASG水箱的结构设计分析给出了建议。     

核电厂主蒸汽管道阻尼减振与抗震分析

增设阻尼器是处理核电厂主蒸汽管道振动与地震冲击问题的主要方法。本文利用Sap2000软件建立核电厂主蒸汽管道的有限元模型,分析出了管道的固有频率、振型等动态特性。分析结果表明,平动是主要的影响振型。本文应用非线性动力时程分析计算蒸汽管道在33 Hz频率下的振动及地震响应,得到了管道加设阻尼器前后的振动位移和振动速度数据,并进行了比较,探讨了阻尼器在管道减振与抗震中的应用效果。结果表明,在不改变管道原有结构、不影响管道正常工作的前提下,安装液体黏滞阻尼器可以对主蒸汽管道产生减振与抗震的效果。     

Artificial ground motion compatible with specified peak ground displacement and target multi-damping response spectra

With respect to the design ground motion of nuclear power plant (NPP), the Regular Guide 1.60 of the US not only defined the standard multi-damping response spectra, i.e. the RG1.60 spectra, but also definitely prescribed the peak ground displacement (PGD) value corresponding to the standard spectra. However, in the engineering practice of generating multi-damping-spectra-compatible artificial ground motion for the seismic design of NPP, the PGD value had been neglected. Addressing this issue, this paper proposed a synthesizing method which generates the artificial ground motion compatible with not only the target multi-damping response spectra but also the specified PGD value. Firstly, by the transfer formula between the power spectrum and the response spectrum, an initial uniformly modulated acceleration time history is synthesized by multiplying the stationary Gaussian process with the prescribed intensity envelope to simulate the amplitude-non-stationarity of earthquake ground motion. And then by superimposing a series of narrow-band time histories in the time domain, the initial time history is modified in the iterative manner to match the target PGD as well as the target multi-damping spectra with the pre-specified matching precisions. Numerical examples are provided to demonstrate the matching precisions of the proposed method to the target values.     

Seismic vibration testing with sine beats

Analytical developments and testing procedures are presented for a method of testing nuclear power plant equipment under simulated seismic excitations. The method utilizes a standard shape of input motion considered to envelop most of the usual seismic time histories at the supports of the equipment. Thus, equipment need not be retested for different seismic conditions. Equipment response amplifications based on single degree of freedom oscillators at resonance are derived with three actual earthquake motions. These, along with higher floor response amplifications of a nuclear power plant structure, are compared with those given by the standard shape motion to evaluate its adequacy.