核电厂设施抗震分析及应用

姚伟达，国家核电、上海核工程研究设计院有限公司专家委成员、技术顾问、研究员级高级工程师。1964年毕业于浙江大学，1971年由上海机电设计院调入上海核工程研究设计院，曾任院副总工程师。从事反应堆结构力学研究近50年，曾获“五一劳动奖章”（上海市政府颁发）、“全国先进工作者”（全国总工会颁发）、“全国优秀科技工作者”（国务院颁发）、 “国家J中青年有突出贡献专家”、“政府特殊津贴”等荣誉称号。

众所周知，地震对核电厂设施造成的破坏力与影响是巨大的，因此抗震设计分析对核电厂的安全性和经济性提出特定的要求。本书从核电站设施的特定抗震要求出发，对抗震设计分析中涉及的基础理论进行了详细系统的介绍，将特定的随机信号理论、振动分析等知识与抗震分析实践密切结合，形成一整套完整的核电厂设施抗震分析与试验基础性的理论，使读者阅后不仅清楚核电厂设施抗震分析是怎么做的，还明白为什么要那么做。

第1章 绪论

1.1地震对人类的危害1

1.2地震对核电厂的危害2

1.3核电厂抗震设计的必要性5

1.4核电厂抗震设计的方法论6

第2章地震分析中所应用的随机过程基本理论8

2.1振动数据的分类8

2.2确定性数据的分类9

2.2.1正弦周期数据9

2.2.2复杂周期数据10

2.2.3准周期数据11

2.2.4瞬时非周期数据12

2.3随机数据的分类13

2.3.1平稳随机过程15

2.3.2各态历经随机过程16

2.3.3非平稳随机过程17

2.3.4平稳样本的记录18

2.4随机数据的基本特性18

2.4.1均方值（均值与方差）19

2.4.2概率密度函数19

2.4.3自相关函数22

2.4.4功率谱密度函数24

2.5互相关函数与互功率谱密度函数29

2.5.1互相关函数29

2.5.2互功率谱密度函数31

2.5.3随机过程的微分34

第3章单自由度系统的线性振动反应分析37

3.1引言37

3.2单自由度系统的自由振动37

3.2.1单自由度系统的自由振动基本方程37

3.2.2阻尼比ξ>1时的自由振动38

3.2.3阻尼比ξ＝1时的自由振动39

3.2.4阻尼比ξ<1时的自由振动40

3.2.5例题44

3.3单自由度系统的强迫振动46

3.3.1单自由度系统强迫振动的基本方程46

3.3.2单自由度系统强迫振动的通解与特解47

3.3.3谐波激励反应52

3.3.4地震楼面反应谱的生成技术59

3.3.5设计反应谱的表示方式63

3.4地震作为随机信号输入的振动反应70

3.4.1地面地震波的随机过程模拟70

3.4.2单自由度随机输入的反应（直接用相关函数或

功率谱密度分析方法）76

3.5反应谱与功率谱密度之间的关系90

3.5.1时域和频域两种分析流程的关系90

3.5.2地震加速度功率谱密度函数与反应谱之间的

关系93

3.5.3模拟地震运动95

3.5.4随机过程穿越阈值次数问题的解析98

3.5.5地震反应谱与功率谱密度函数之间转换关系的

应用108

3.5.6穿越阈值概率置信度计算举例110

参考文献114

第4章两个自由度系统的线性振动反应分析115

4.1引言115

4.2抗震系统的主频率117

4.3抗震系统的主振型120

4.4抗震系统的解耦条件121

4.5抗震系统对初始条件的反应122

4.6抗震系统对地震输入的反应123

4.6.1两个自由度振动方程123

4.6.2耦合振动方程的解125

4.6.3举例129

4.7子系统从耦合振动系统中分离后的反应分析131

4.7.1方程与反应解131

4.7.2举例133

4.8结论135

参考文献136

第5章多自由度系统的线性振动反应分析137

5.1引言137

5.2无阻尼自由振动的解139

5.2.1固有特征值解139

5.2.2模态的正交性及主振型的归一化140

5.3比例黏性阻尼比下的自由振动反应156

5.3.1振动系统中的比例黏性阻尼156

5.3.2自由振动模态叠加方法158

5.4地震分析中的模态叠加法159

5.4.1基础地震波输入下的模态振动方程159

5.4.2模态方程的解161

5.4.3谐波激励的系统反应164

5.4.4举例167

5.5连续弹性体的模态叠加法171

5.5.1梁的横向弯曲振动方程171

5.5.2单跨梁的自由振动173

5.5.3单跨梁弯曲振动的固有频率与振型175

5.5.4振型函数的性质178

5.5.5梁振型中的模态质量与模态刚度183

5.5.6多跨简支梁的弯曲自由振动186

5.5.7梁的强迫振动191

参考文献199

第6章抗震设计与鉴定200

6.1引言200

6.2核电厂构筑物、系统和部件的设计基准地震与抗震

分类200

6.2.1设计基准地震200

6.2.2抗震分类原则201

6.2.3抗震Ⅰ类物项202

6.2.4抗震Ⅱ类物项202

6.2.5非抗震类物项202

6.3核电厂抗震设计分析203

6.3.1核电厂厂址的地震输入203

6.3.2核电厂抗震设计分析总流程207

6.3.3抗震分析方法211

6.3.4圆筒形储箱的抗震近似分析法222

6.4核电厂设备抗震鉴定试验224

6.4.1引言224

6.4.2缩比模型的地震试验方法224

6.4.3抗震鉴定中的试验方法225

6.4.4抗震鉴定中注意的问题227

6.4.5分析与试验相结合的方法228

6.4.6间接鉴定的方法228

6.5核电厂地震监测与停堆要求228

6.5.1核电厂设置地震监测系统的目的与原因228

6.5.2地震检测的基本要求和停堆判别准则229

6.6核电厂抗震裕度评估（SMA）方法236

6.6.1引言236

6.6.2核电厂SMA的基本要求237

6.6.3SSC的HCLPF 计算方法简述238

6.6.4地震始发事件分析242

参考文献244

附录246

附录A抗震系统解耦表246

附录B楼面反应谱精确计算程序的理论文本及其验证248

附录C先进轻水堆业主要求文件（ALWRURD）中对核电厂

抗震设计的要求258

附录D流固耦合动力相似准则的推导267

附录E加速度时程积分值处理方法及验证282

附录F多跨梁的振型曲线301

附录G模态叠加法解间隙非线性动力问题中的应用316

附录H在傅里叶变换中功率谱密度函数不同格式的解析323

附录I功率谱密度函数的谱参数336

附录J安全级金属封闭式开关柜抗震鉴定试验的通用

反应谱348

常用术语351

索引357