基金项目:黑龙江省自然科学基金杰出青年基金(JQ2022E006); 中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项(2021B01); 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室重点专项(2021EEEVL0308).
(中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨150080)
(Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration,Harbin 150080,Heilongjiang,China)
motor equipment; seismic isolation; shaking table test; seismic isolation efficiency
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0005
备注
基金项目:黑龙江省自然科学基金杰出青年基金(JQ2022E006); 中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项(2021B01); 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室重点专项(2021EEEVL0308).
引言
我国是一个地震多发的国家,地震的发生可能对电力设备造成危害。为了提高电力设备的抗震能力,国内外学者对电力设备减隔震技术开展了大量的研究。传统的减隔震装置制造工艺成熟,造价较低且无需更换已使用的设备,提高设备抗震能力切实可行。20世纪80年代,我国开始了电力设施方面的抗震研究工作,并于1989年完成了《电力设施抗震设计规范》(送审稿),1993年发布了《电气设施抗震鉴定技术标准》(SY 4063—93),对电气设施抗震计算方法及抗震鉴定的有关内容、条款作了具体的说明和规定,这是国内正式颁布的第一个有关电气设施抗震工作的标准。2013年颁布的《电力设施抗震设计规范》(GB 50260—2013),增加了电气设备的隔震与消能减震设计,吸取了2008年四川汶川8.0级大地震电力设施及电力设备受损情况的经验教训,适当提高了电力设施的抗震设计标准。
电力设施经抗震设防后,可减轻其地震破坏,避免人员伤亡,减少经济损失。但目前以叠层橡胶支座为代表的隔震支座,仅能减小设备遭受的水平地震作用,无法减小竖向地震作用,甚至还存在一定的放大现象。王涛等(2014)通过振动台试验验证了这一情况,并通过水平隔震与三维隔震的试验结果进行对比,证实三维隔震可以对设备进行竖向隔震; 魏陆顺等(2007)也通过振动台试验验证了三维隔震支座可以有效减小竖向作用; 胡珍秀(2020)以电气设备为主要对象对其电力设施的震损情况进行了分析; 滕艳玲(2010)详细介绍了三相异步电动机的抗震鉴定并进行了抗震试验; 尤红兵等(2012)对电气设备抗震性能检测试验中地震动的输入进行了研究,并给出了输入时程; 刘中华(2008)对核级风机设备进行抗震试验、建立有限元模型,并将试验结果与有限元模型分析计算结果进行对比,获得了风机设备的抗震性能; 宁晓晴(2014)采用了两种隔震方案对某一型号风机设备进行隔震研究; 程永锋等(2008)阐述了减隔震技术在电气设备上的应用前景; 郭永基(2001)研究了电力系统和电力设备的可靠性,并对电力系统进[HJ1.95mm]行可靠性评估; 姚堃和钱江(2017)研究了铅芯叠层橡胶支座对电气设备的隔震效果。
本文设计并研制了能够同步减小设备水平向和竖向地震响应的三维隔震支座,以某型号电机为例,对其三维隔震性能开展了地震模拟振动台试验,获得电机设备典型部位的动力响应,验证了隔震支座的隔震效果。
1 三维隔震支座
2 试验概况
2.1 地震模拟振动台试验使用中国地震局工程力学研究所的地震模拟振动台,振动台具有三向六自由度加载能力,台面尺寸为5 000 mm×5 000 mm,可承受最大竖向载荷为30 t,满载时X、Y方向最大加速度为1.0 g,Z方向为0.7 g,详细技术指标见表2。
2.2 试验设计为了考察设备安装三维隔震支座后的隔震性能,振动台试验选用了某核电厂某型号电机,电机设备与均匀钢板、均匀钢板与隔震支座均采用螺栓连接,试验模型如图2所示。为了模拟设备刚性地面,试验采用了厚度为20 mm的均匀钢板作为设备与隔震支座的连接层。均匀钢板的尺寸为2 500 mm×1 000 mm; 电机主体部分为一个直径为600 mm、长度为1 100 mm的圆柱体和一端的端部伸出直径为80 mm、长度为170 mm的小圆柱体。
2.3 测点布置试验中分别测量了试验设备的振动台台面(测点1)、均匀钢板(测点2)、电机顶部(测点3)3个方向加速度A1、A2、A3; 还分别测量了振动台台面、均匀钢板、电机顶部的水平位移D1、D2、D3。通过试验设备典型部位的动力响应就可以获得隔震支座的隔震效率。
2.4 输入地震动试验中输入的地震动为2013年在四川省芦山县飞仙台站记录到的地震动(LSF波)和人工合成地震动(RG波)的加速度时程曲线(图4),并采用三向输入。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)相关要求,对X、Y、Z 3个 [LL]方向的地震动加速度幅值进行调幅,以满足3个方向加速度幅值比为1:0.85:0.65的测试要求。试验中模型输入的地震动最大加载到0.62 g,其中,EW方向为X方向,NS方向为Y方向,UD方向为Z方向。由图5a可知,X、Y、Z方向的主要频率分别为1.70 Hz、1.87 Hz、2.33 Hz。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)对Ⅶ度设防设备相关要求,选择Ⅶ度多遇地震对应的设防加速度幅值为0.035 g开始加载,然后以0.1 g为增幅逐级加载至Ⅸ度罕遇地震对应的加速度幅值0.62 g,振动台试验加载工况见表3。
图4 四川飞仙台记录的(a)和人工合成(b)地震动时程曲线
Fig.4 Time-history curves of the ground motion recorded by Feixian station inSichuan(a)and the artificial ground motion(b)3 试验结果及分析
3.1 电机设备自振特性为了获得电机设备的自振频率,在对试验模型进行地震动加载前,首先用一组加速度峰值为50 cm/s2的白噪声进行扫频,然后对白噪声加载获得电机设备的加速度响应进行快速傅立叶变换,获得其对应的频谱信息(图5b),频谱峰值对应的频率即为试验模型的自振频率。由图5b可知,电机设备的X、Y、Z方向的自振频率分别为4.64、14和6.76 Hz。
3.2 试验结果分析[KG(0mm]由表3可见,人工合成地震动与飞仙台记录地震动的隔震效果非常相似,工况4、6、8的地震动强度不断增大,其加速度值比较有代表性,又都是人工合成地震动,故本文仅选用工况4、6、8的试验结果数据。为了直观地比较三维隔震支座的隔震效果,对振动台台面(测点1)与均匀钢板(测点2)在工况4、6、8下的X、Y、Z方向的加速度响应进行对比分析,如图6所示。为了避免测点附近局部震动对试验结果的干扰,利用Matlab软件对试验实测加速度记录采用了带通滤波处理,滤波范围为0.01~30 Hz。
为了比较该三维隔震支座在不同工况下的隔震效果,引入隔震效率(IR):
式中:FGZmax为非隔震结构响应极值; GZmax为隔震结构响应极值; IR取值范围为0~1,IR越大,说明隔震支座隔震效果越好。
根据试验结果,利用式(1)计算隔震支座3个方向的隔震效率,结果见表4。由表可见,X方向隔震效率均高于35%,Y方向隔震效率在30%~45%,说明在不同的地震动工况下,隔震支座均起到了良好的隔震作用; Z方向隔震效率稳定在20%左右,说明隔震支座能够减小设备的竖向地震响应,但是隔震效果比水平向要差一些。其原因在于:隔震支座竖向的弹簧需要承受重力,所以设计支座时增大了弹簧刚度,而刚度越大,隔震效率越低,所以三维隔震支座在X、Y方向的隔震效果优于Z方向隔震效果。尽管如此,设备的竖向隔震效果也是非常显著的,因此本研究研发的三维隔震支座能够同时减小设备在水平向和竖向的地震响应,显著增加设备的地震安全。
图6 测点1、2 的X(a)、Y(b)、Z方向(c)加速度对比图
Fig.6 Comparison of the accelerations at Point 1 and Point 2 in X direction(a),Y direction(b),and Z direction(c)4 结论
为了同步降低核电设备在水平向和竖向的地震响应,本文以核电设备常用电机为例,研发了具有自复位可恢复功能的三维隔震支座,开展了三维隔震振动台试验,获得了台面和设备典型部位的加速度和位移的动力响应,通过对试验结果的处理分析,得出以下结论:
(1)引入了隔震效率评价三维隔震支座对电机设备的隔震效果。根据计算得出的隔震效率结果来看,隔震支座在X、Y方向的隔震效果优于Z方向的隔震效果。其原因在于:隔震支座竖向的弹簧需要承受重力,所以设计支座时增大了弹簧刚度、而刚度越大,隔震效率越低,所以三维隔震支座在X、Y方向的隔震效果优于Z方向隔震效果。
(2)随着输入地震动峰值增大,隔震效率差别微小,隔震支座的隔震效果保持稳定,说明隔震支座对电机设备起到了良好的隔震作用,且其隔震效果在不同地震动强度下均比较理想,能够显著提高设备的地震安全性。
(3)本文研发的三维隔震支座对于不同的地震动均具有良好的隔震效果,可以为设备的三维隔震提供可靠的参考和技术支撑。尽管如此,不同地震动作用下隔震效果离散性仍然较大,需要进一步优化改进。此外还需要对设备的静力、拟静力和动力性能开展进一步的试验和数值模拟,从而获得其力学行为和本构关系。
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