前言|Foreword

自 1954 年人类发明和开始利用核能发电以来，经过 60 多年的发展，核能已经成为世界能源三大支柱之一，并从中积累了超过 1 400 堆年的运行经验。随着经济的发展，对能源需求进一步增加，对环境的保护意识也不断提高，更多国家和地区对绿色能源之一的核能发展表现出越来越高的兴趣和热情。

我国核电发展的愿望也与国际同步，随着高科技的发展，核电今后的发展方向，以第三代核电厂作为标杆已成为主要潮流，其最主要的设计理念是提高核电厂的安全性与经济性。

核电厂的安全性要求是多种多样的，而其中很重要的一项是如何确保整个核电厂能抵御强烈的地震。众所周知，地震对地面设施造成的破坏力与影响是令人震惊的，对核电厂设施的影响也同样是巨大的。如2007 年 7 月 16 日，日本新潟发生 6.8 级地震，震中距离日本东京电力公司的柏崎刈羽核电厂仅 9 km，所引起的地震烈度已超出了该核电厂的设计基准地震（DBE）。更严重的是 2011 年 3 月 11 日，日本东北部海域发生9 级地震，引起海啸侵入福岛第一核电厂，由于超出设计地震设防基准及防海啸的高度，使核电厂断电断水，最终导致堆芯熔化的严重事故而关停了该厂 4 个机组。

这些事故告诉我们，对于核电厂设施的抗震设计是十分重要的，为确保核电厂在设计基准地震作用下的安全性能，就要求与安全相关的构筑物、系统和部件（SSC）必须保持其完整性与可运行性。为此，核电厂设计中一项十分重要的工作就是准确无误地对所有安全相关的SSC进行抗震设计，抗震设计的主要内容包括分析（或试验）与评定。一般情况下，其抗震设计总金额可能会占到核电厂总建造金额的 5％左右，可见抗震设计对核电厂而言是何等重要。

从事核电厂抗震设计与分析的工程师们会发现，抗震设计的知识是由多学科如地震学、振动理论、随机信号理论、弹塑性理论、计算机技术与材料性能等有机组合而成的。由于核电厂抗震设计工程师和研究人员的专业需求也是多种多样的，所以编著本书的目的是将振动理论与随机信号分析技术作为抗震设计特性的引论，即在抗震分析时，从最基本的原理出发，将其中分析的基础理论尽量详细深入地阐述，使读者在理解了最初几章中所述的基本原理后，为今后文献阅读与研究以及核电厂安全相关的SSC抗震设计中难度高的工程问题处理打下良好的基础，也就是在抗震分析时用最简易的基本理论来揭示其中最本质的问题，使读者能明白“抗震分析究竟是什么？为什么是这样”的问题。

本书第 3 章从单自由度振动分析与随机信号的基本理论出发，重点阐述核电厂地震楼面反应谱函数是如何得到的，并对功率谱密度函数与反应谱函数之间关系密切等问题进行解析。

第 4 章从两自由度的振动分析基本理论出发，重点阐述核电厂大小不同抗震系统如何正确分解成主系统与子系统，分析抗震系统的解耦必要条件与解耦后反应等问题。

第 5 章从多自由度振动理论出发，重点阐述核电厂抗震分析中的模态叠加法，从抗震分析中最基本特点“从地面至楼层均以SSC的特定‘基础’作为地震波输入”这一概念出发，结合第 3 章单自由度振动问题的解，从而建立抗震分析中完整的模态分离与叠加分析的方法。这可以直接理解成抗震系统分解为 n 个独立的模态系统后所具备的特有性质和优点。

第 6 章简要阐述了一个核电厂在建造阶段按核安全法规要求需要完成SSC的抗震分析、抗震鉴定试验、电厂地震监测与停堆要求，以及对于超设计地震基准条件下的抗震裕度评估等抗震鉴定方面的步骤和内容。

10 个附录中，附录A结合第 4 章列出可供工程师直接查阅的抗震系统解耦表。附录B结合第 3 章列出楼面反应谱精确计算的理论推演文本。附录C结合第 1 章与第 6 章描述第三代先进核电厂对抗震设计中的基本要求。附录D结合第 6 章中有关如何正确合理地设计地震试验模型的基本理论说明了相似准则推导过程，包括“流固耦合”与“液态晃动”这两个相矛盾的相似准则如何在同一模型中的处理方法。附录E阐述了在抗震分析与试验中如何正确处理加速度时程变换成速度和位移时程的方法，并列举了 12 个考题作为验证点。附录F结合第 5 章多跨弹性振动梁的模态分析列举了 1～10 跨梁的模态振型曲线的理论解，可作为验证分析软件计算准确性的基础。附录G列举了有间隙单元下梁非线性模态叠加方法的应用。附录H由于在振动分析与数学上处理功率谱与相关函数之间的傅里叶变换关系式表达式的差异，论证了其统一表示方法的重要性。附录I结合第 3 章简要阐述了功率谱密度函数中一系列谱参数的含义和表达形式。附录J列出了核电厂开关柜抗震鉴定试验中所能通用的楼面反应谱。

综上所述，本书不是去探讨地震和地震波的成因与传播，而是侧重于论述当核电厂区域出现地震波作用时（后）所有设施受到的动态反应以及如何评价动态反应是否在允许范围内，以确保核电厂与安全相关的SSC是安全可行的。

为此本书的阅读对象可以是从事核电厂SSC抗震设计与分析的专业技术人员、运行核电厂的有关技术人员或管理人员、对核电厂作安全评审的有关专业技术人员或管理人员，也可以是非核专业常规设施抗震分析的专业技术人员，还可以是高等院校、研究机构相关专业教学或研究人员。

数年前，鉴于国内对核电厂抗震设计与分析方面的工作大量开展，深感很有必要向我国相关读者系统而深入地介绍抗震设计分析中更深层次的基础理论知识，解决技术人员只知抗震设计分析怎么做，但不知为什么要这么做的问题。于是萌发了将几十年来从事抗震分析工作有关基础理论与工程经验积累（包括前人的）的笔记、讲课有关内容以及在有关科技期刊上发表的论文相对完整地编辑成册的意愿，这一想法得到了作者所在核电行业同事们的大力支持，上海核工程研究设计院谢永诚、钱浩、黄小林、朱翊洲和邓晶晶等同事提供了相关参考资料，杨仁安先生对最终稿作了认真的审核，在此一并表示衷心的感谢！同时也衷心欢迎读者对本书提出宝贵意见，以进一步改进。