核化工廠房設備室企口形蓋板受力分析及設計建議

張志

摘 要：核化工廠的設備室頂板上需要使用很多企口形蓋板，以滿足防護輻射的需要。而蓋板受力情況與防護輻射有密切聯(lián)系，因此本文采用有限元分析軟件構建T形和Z形蓋板模型并展開計算，然后從地震和自振兩個方面分析T形蓋板和Z形蓋板的承載力以及位移分布規(guī)律并提出了相應的設計建議。

關鍵詞：蓋板；自振頻率；地震分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.012

核輻射安全問題是核化工同普通工業(yè)建筑不同的最大區(qū)別，在工程設計中通常遵循密封性原則。由于在設計蓋板尺寸時一般以工藝技術來確定，對各種工況下砼蓋板的力學性能是否與防護輻射要求相符欠缺分析。又因為有關規(guī)范沒有統(tǒng)一規(guī)定蓋板構造的標準，所以對核化工廠設備室企口形蓋板的受力狀況展開分析十分必要。

1 計算模型

（1）計算模型。為了使計算更為簡便，僅僅分析二級蓋板。工程上常見的有Z型、T型和倒T型企口樣式的二級蓋板，在小型設備的吊裝孔或者人孔中可單獨應用T形蓋板，而Z形蓋板無法單獨應用而是同T形或者倒T形蓋板相互搭接使用。本文采用有限元軟件進行有限實體模型的構建并展開計算，ANSYS作為兼容性的有限元軟件，普遍應用在核工程領域中。對約束蓋板進行模擬時采用的采用模型的僅受壓單元link10單元，而混凝土蓋板用Solid45單元來模擬，并且通過施加給模擬不同的重力來實現(xiàn)有限元計算。

（2）計算參數(shù)。在模型Link10單元中的壓縮模量應與混凝土蓋板數(shù)值相同，也就是，混合泊松比為0.2，密度為2700kg/m3，結構阻尼比為0.05。

2 企口形蓋板受力分析

（1）自振分析。據(jù)有關分析得知，蓋板跨度的不斷加大，蓋板的自振頻率隨之降低，大跨度蓋板可更為靈敏感知到振動。當蓋板跨度在5米以內時，Z形蓋板比T形蓋板的自振頻率低，這主要是因為豎向約束力均勻的在T形蓋板周圍施加力所致，而這時蓋板孔和T形蓋板分別約束著Z形板的一側支承邊，非但如此，這兩個對T形蓋板的約束力是截然相反的兩個力，導致T形蓋板剛度比Z形蓋板的剛度強。

當跨度大于5米，Z和T形狀蓋板的自振頻率都會降低，并且保持在低于100Hz，當蓋板自振頻率要低于100Hz時，在豎向地震以及諧振生成的附加荷載影響下，蓋板的豎向位移和內部作用力都會快速增長，使防護輻射處在惡劣環(huán)境中。在核化工廠內，部分檢修設備會有離心振動產生，同時風機等振動頻率高的離心設施也會布局在設備室外，通常離心式風機頻率一般是在15到150Hz徘徊，假若設備室同離心式設備間距離較近，振動頻率高的設備會把顯著的諧振激勵傳遞給大跨度蓋板。

旋轉型機器的干擾R的公式為：

在公式中最大干擾力為，單位為N；干擾源頻率為，單位為rad/s；當量偏心距為，單位為mm；設備旋轉零件的總重量為，單位為kg；機器旋轉速度為，單位為。

以上述公式為據(jù)，諧振激勵是由每分鐘3000轉的風機所形成的干擾力輸入到模型中，可以得出，三米以上的蓋板受到震動敏感度較強，在圖1中，是5米T形蓋板從其支撐處點-自振頻率的曲線，在這個圖中得出，每分3000轉速的風機50Hz的震動頻率時，位移4毫米，當風機在每分鐘3000轉的旋轉速度時，蓋板移動不利于防護輻射工作。故此，如果在設備的影響區(qū)間內（6米到12米之內）布置蓋板，就必須對設備做好隔震消振措施。假若無法符合要求，應當在蓋板孔和蓋板間設定方便開啟的安全連接，確保約束增加，從而使蓋板受到共振的影響力降低。

（2）地震分析。Z形和T形蓋板受到豎向地震的影響會有產生相應的位移。如果T形蓋板跨度在4米之內，它的位移值遠遠在自振頻率的高頻段數(shù)值之外，并且有較大的數(shù)值。假若蓋板跨度在3米，在反應譜激勵下可以最大移動20毫米以上，不過200Hz之內可以忽略其振動，因為高頻段中只有極小的地震力，我們可以說T形蓋板在安全范圍內。假若跨度要在4米之外時，因為本身降低了自振頻率，較低頻率位置極有可能有較大位移發(fā)生；針對跨度在5米的蓋板，頻率在50Hz時就已經(jīng)有3毫米的位移，T形蓋板處在防護輻射十分不利的狀態(tài)。

之于Z形蓋板而言，在與T形蓋板有一樣的跨度時，自振頻率比相同重量的T形蓋板小或者相同，也就是說Z形蓋板產生振動比T形蓋板更為容易。超過三米跨度的Z蓋板即便是頻率較小時，豎向位移依然較大。在50Hz時蓋板跨度在3米時，就已經(jīng)有了2毫米的豎向位移，而當頻率大于200Hz時豎向位移就會快速加大，當頻率達到300Hz時最大位移可達16毫米。

3 設計施工建議

T蓋板在豎向荷載影響下較為勻實的分布應力，同時支承處僅有極小的應力。當蓋板有三米的跨度時，它的分階支承位置第一主應力是0.11Mpa的壓力。故此，只要把配筋構筑在分階支承位置就行。然而Z蓋板的局部應力有較大值，在豎向負載影響下蓋板應力最大值可達到1.1Mpa，與砼的抵抗拉力差不多。如果對檢修、地震、豎向負荷之和進行考慮，Z蓋板分階支承位置所產生的拉應力勢必會大于砼的抵抗拉力的強度，所以必須把受力鋼筋安置在此處。

4 結語

綜上所述，核化工廠設備室企口形蓋板通常有不小于100Hz的自振頻率，剛性良好，蓋板跨度增大其自振頻率會迅速降低，當蓋板有較大跨度時，蓋板勢必會受到地震和設備振動較大影響。這就需要對Z形和T形蓋板做好消振和減振措施，并盡可能使蓋板孔與振動頻率高的設備隔開一定的距離。

參考文獻：

[1]張景寓，尹曉展.核化工廠房設備室企口形蓋板受力分析及設計建議[J].原子能科學技術，2013（08）：1468-1472.