核電站支吊架強(qiáng)度核算問題研究

□劉宏林

隨著我國核電事業(yè)的迅速發(fā)展以及一些重大項(xiàng)目的建設(shè)施工的開展，日本福島核事故引發(fā)的危機(jī)，對(duì)核電站管道支吊架的設(shè)計(jì)和計(jì)算提出了更高的要求。核電站管道支吊架數(shù)量巨大，為了保證管道支吊架的工作可靠性，美國ASME和法國RCCM法規(guī)明確規(guī)定必須對(duì)管道支吊架設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)力分析，一般的分析方法有：計(jì)算分析法、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析法和額定荷載法，計(jì)算分析法最為常用。本文對(duì)核電站支吊架將核電站管道支吊架計(jì)具有指導(dǎo)性意義，并提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

一、支吊架強(qiáng)度核算現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的支吊架設(shè)計(jì)中，標(biāo)準(zhǔn)支吊架的設(shè)計(jì)是根據(jù)預(yù)先評(píng)估過的《核電站標(biāo)準(zhǔn)支吊架手冊(cè)》進(jìn)行的，該設(shè)計(jì)手冊(cè)編制和擴(kuò)充需要大量的預(yù)先計(jì)算和評(píng)定，但在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)碰到標(biāo)準(zhǔn)支吊架形式可以滿足，但布置空間和條件不滿足，或者支吊架結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜、受力分析比較困難的還需向力學(xué)專業(yè)提資，過程十分繁瑣，計(jì)算周期長。

二、支吊架受力核算選型

(一)支吊架受力形式選型。核電站支吊架主要由根部、支吊架梁、連接件、管道管卡四大部分組成，連接件和管道管卡可以根據(jù)管道支吊架的功能和受力，查詢已經(jīng)鑒定合格的《核電站標(biāo)準(zhǔn)支吊架手冊(cè)》選取，只有根部、支吊架梁需要核算受力是否滿足要求。為了便于受力分析，根據(jù)壓水堆核電站支吊架形式的匯總，可以把各種不同類型的支吊架簡化分為幾種常用的支吊架形式，例如單懸臂、雙懸臂(L型)、簡支梁、門型梁等，其他復(fù)雜類型的支吊架可以是以上兩類或兩類以上支架梁形式的組合，利用已有單懸臂結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力形式進(jìn)行兩重或多重組合，可以得到幾種常用支吊架材料(槽鋼、工字鋼、圓鋼)組裝件的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)公式(這里不做詳細(xì)介紹)，避免混淆各個(gè)方向的受力和力矩以及截面系數(shù)和剪切面積值，也可以用EXCEL文件建立對(duì)應(yīng)的函數(shù)公式建立支架核算程序，方便在支吊架強(qiáng)度核算時(shí)套用，提高核算速度。

單懸臂結(jié)構(gòu)構(gòu)件是眾多支吊架結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)，通過分析單向受力的單懸臂結(jié)構(gòu)形式的強(qiáng)度核算，尤其是開口類型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，闡述大家在利用公式法，進(jìn)行手工支吊架核算過程中容易忽略而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤的重要要素。

(二)型鋼選型。槽鋼是最常見的開口薄壁桿件，槽鋼開口水平布置時(shí)，具有縱向?qū)ΨQ面，當(dāng)受力不是作用在對(duì)稱面內(nèi)時(shí)，由于開口薄壁桿件的抗扭剛度較小，容易發(fā)生變形，當(dāng)受力通過橫截面內(nèi)的彎曲中心時(shí)，桿件只有彎曲而無扭轉(zhuǎn)變形，若受力不通過槽鋼的彎曲中心，除產(chǎn)生彎曲變形外，還將發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。查表可知槽10形心X軸坐標(biāo)為15.2mm。在工程實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，受力點(diǎn)一般選擇在槽鋼形心至長邊邊緣這段距離內(nèi)，不通過彎曲中心，槽鋼不但會(huì)彎曲變形，還將發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。故本次重點(diǎn)研究支吊架結(jié)構(gòu)構(gòu)件為槽鋼的強(qiáng)度核算。

三、支吊架強(qiáng)度核算

支吊架強(qiáng)度計(jì)算主要是對(duì)支吊架結(jié)構(gòu)中最弱點(diǎn)所受到拉(壓)應(yīng)力和剪應(yīng)力的驗(yàn)證，一般有公式法和軟件計(jì)算分析兩種方法，而采用以上兩種的方法的基礎(chǔ)都是基于梁理論。

(一)公式法。手工支吊架強(qiáng)度計(jì)算公式采用材料力學(xué)中的正應(yīng)力公式、剪應(yīng)力公式、彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力公式來計(jì)算支吊架梁的各種應(yīng)力，這里不再詳細(xì)介紹。

(二)軟件強(qiáng)度計(jì)算。核電站非標(biāo)準(zhǔn)支吊架的力學(xué)分析大多采用有限元方法并借助有限元程序進(jìn)行。對(duì)于系統(tǒng)管道支吊架，通常采用梁單元(Beam189)建立有限元簡化模型，進(jìn)行靜力和動(dòng)力計(jì)算，Beam189單元適合于分析從細(xì)長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生變形的影響，但只有適度的粗梁可以分析，推薦長細(xì)比要大于25。

軟件分析采用ANSYS中的beaml89梁單元進(jìn)行有限元建模，槽鋼根部受力點(diǎn)選擇在槽鋼形心點(diǎn)附近。

(三)強(qiáng)度核算數(shù)據(jù)分析。以槽10為例，槽鋼開口水平布置，受力點(diǎn)選擇在槽鋼形心附近，分析兩種工況：

A.當(dāng)槽鋼長度L取400mm定值時(shí)，受力F為變值；

B.當(dāng)受力F為定值時(shí)，長度滿足長細(xì)比要求，且為變值。

根據(jù)材料力學(xué)相應(yīng)的公式以及ANSYS有限元計(jì)算分析，分別得到不同工況槽鋼根部的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力值，以及兩種不同分析方法分析結(jié)果的差值。通過計(jì)算結(jié)果比對(duì)可以看出，當(dāng)受力不通過彎曲中心時(shí)，不但發(fā)生了彎曲變形，還發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，公式法計(jì)算得出的剪應(yīng)力與ANSYS有限元分析計(jì)算得出的結(jié)果差距很大，而兩種不同分析方法得出的彎曲應(yīng)力差值不大，基本可以忽略。

(四)應(yīng)力比值系數(shù)。通過以上分析可以看出，公式法在強(qiáng)度核算時(shí)，沒有考慮由于扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，實(shí)際計(jì)算的剪應(yīng)力偏小很多。通過有限元建模分析得到，當(dāng)槽鋼開口水平布置時(shí)，由于實(shí)際扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生了剪應(yīng)力，現(xiàn)將兩種不同分析得出的結(jié)果進(jìn)行比值分析，看是否存在某種比例關(guān)系。

通過計(jì)算結(jié)果比對(duì)可以看出，ANSYS有限元分析計(jì)算得出的結(jié)果考慮了扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，約是公式法結(jié)果的7.42倍，且與支吊架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長度無關(guān)。而扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力變化不大，綜合彎曲應(yīng)力只是公式法的1.02倍，可以忽略。

利用以上同樣的方法，可以得到其它幾種常用槽鋼開口水平布置、滿足長細(xì)比要求公式法的附加剪應(yīng)力系數(shù)如表1所示。

表1 槽鋼水平布置公式法剪應(yīng)力附加系數(shù)值

從表1可以看出，隨著槽鋼型號(hào)的增大，剪應(yīng)力附加系數(shù)值也在不斷增大，兩者之間存在某種函數(shù)關(guān)系，曲線圖如圖1所示。

圖1 槽鋼剪應(yīng)力附加系數(shù)圖

四、結(jié)論與建議

本文通過對(duì)開口型單懸臂結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度核算研究，闡述在核電站支吊架強(qiáng)度核算過程中,大家容易混淆或者忽視而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有誤的幾個(gè)重要問題：第一，根據(jù)材料力學(xué)公式，推導(dǎo)出強(qiáng)度核算公式，避免在計(jì)算過程中，混淆不同方向上的截面系數(shù)、剪切面積值、受力及力矩值，也可以EXCEL文件制作一個(gè)小程序，方便以后核算使用。第二，支吊架結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用開口薄壁構(gòu)件，應(yīng)滿足梁的長細(xì)比要求，但桿件受力不通過型鋼的彎曲中心時(shí)，考慮扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，將公式法得出的剪應(yīng)力值應(yīng)乘以一個(gè)附加系數(shù)。