核電站電纜橋架力學計算及工程應用

李賀，黨俊杰，高齊樂，李文默

核電站電纜橋架力學計算及工程應用

李賀1，黨俊杰1，高齊樂1，李文默2

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.中國電能成套設備有限公司，北京 100080）

研究電纜橋架的受力規(guī)律。采用通用有限元程序ANSYS對電纜橋架進行整體建模與力學分析，探討S2型支架、S4型支架以及梯形支架的抗震能力，研究不同方鋼長度和不同托臂層數(shù)對支架抗震能力的影響，并探討三種截面形式的托臂承載能力。梯形支架比其他兩種支架抗震能力強。增加方鋼長度和托臂層數(shù)會提高支架的受力，降低其抗震能力。雙層異形鋼截面的托臂更能有效地提高其承載能力。為以后核電站電纜橋架的自主設計和改進打下了基礎。

電纜橋架；有限元；抗震分析

核電廠房存在著大量的能動設備（從控制機到泵、閥等），而地震情況下電纜橋架的破壞，將可能導致那些需要在地震情況下執(zhí)行安全功能的能動設備無法執(zhí)行，因此在地震情況下電纜橋架的安全性是保證整個核電站安全不可忽視的環(huán)節(jié)。文中以應用于福清5、6號工程中的電纜橋架為背景，探討了這種結(jié)構(gòu)的建模和計算方法，研究了方鋼長度和托臂層數(shù)對支架受力的影響規(guī)律，所得結(jié)論具有普遍性，可以應用于其他類似結(jié)構(gòu)支架的分析設計工作中。

典型電纜橋架是由很多個支架連接起來構(gòu)成的，因此在地震作用下，要保證電纜功能，就要求電纜橋架保證其完整性能。電纜橋架的種類較多（如圖1所示）[1]：托臂支架（S1）、典型支吊架（S2-1—S2-5）、異型支架（S3—S8）、梯形支架（R1—R3）、次托盤支架（S10—S17）。在不同的廠房布置下，選取不同的電纜橋架，在核電站中使用最多的就是S2型電纜橋架，其主要特點就是結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝。

圖1 電纜橋架結(jié)構(gòu)

1 結(jié)構(gòu)綜述

1.1 評定規(guī)范

典型電纜橋架由方鋼、托臂、托盤、連接螺栓組成。電纜放在托盤中固定，托盤與托臂、托臂與方鋼之間都是通過螺栓連接起來的，很多個支架連接起來構(gòu)成了電纜橋架，因此在地震作用下，要保證電纜功能，就要求電纜橋架保證其完整性能。支架的方剛和托臂所用材料均為Q235-B，材料在常溫時的參數(shù)見表1。

表1 支架材料參數(shù)

按RCC-M規(guī)定[2]，對于無鏜孔的均勻截面，在凈截面上的拉伸應力極限為：

承受剪切力的那個截面上的剪切應力極限為：

軋制型鋼相對于最小慣性力矩其軸線呈對稱性，在最大慣性平面內(nèi)承受載荷時，其端部纖維上的拉伸或壓縮應力極限為：

受軸向壓縮的梁截面壓縮應力與梁結(jié)構(gòu)的長細比/有關(guān)，當梁結(jié)構(gòu)長細比小于c時，壓縮應力極限為：

當梁結(jié)構(gòu)長細比大于c時，壓縮應力極限為：

當梁結(jié)構(gòu)長細比大于120時，壓縮應力極限為：

式中：a為最大許用壓應力；為彈性模量；為有效長度系數(shù)；為無支承長度；為截面最小回轉(zhuǎn)半徑。

材料的許用應力見表2，其中0/A/B工況表示支架在正常/異常工況下/SL1地震載荷下的許用值，D級工況表示在SL2地震載荷下的許用值。

1.2 計算模型

計算時需考慮支架自重載荷（DW）、電纜載荷（P）、地震載荷（SL-1/ SL-2）。自重載荷包括方剛、托臂和托盤的質(zhì)量。電纜橋架的電纜載荷為75 kg/m，考慮到托盤以及蓋板的質(zhì)量，取線載荷為87.5 kg/m。采用核電站中某一廠房一定標高下地震載荷，見表3（水平兩方向為包絡譜）。

使用ANSYS 15.0有限元分析軟件建立電纜橋架的整體有限元模型。選擇梁單元BEAM181進行網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)量為2652。支架頂端進行全約束，為了更好地獨立分析支架中方鋼和托臂，便于提取托臂根部中心的載荷，方鋼和托臂采用相應自由度耦合的方式模擬螺栓連接[3]。電纜等的質(zhì)量以等效質(zhì)量形式施加到托盤上，對電纜橋架進行模態(tài)分析，采用BLOCK LANCZOS法提取結(jié)構(gòu)模態(tài)。

表2 材料許用應力值

表3 地震反應譜

2 結(jié)果分析與比較

2.1 幾種支架類型的比較

為考察不同形式的支架抗震能力，對應用較為廣泛的S2型、S4型以及梯形支架進行力學分析，以單側(cè)四層為例，選取某一廠房地震譜。對計算結(jié)果進行對比分析，包括D級工況下的拉壓應力、剪切應力以及彎曲應力，見表4。

可以看出，電纜橋架承受的拉壓應力和剪應力值相比許用值要小很多，主要承受彎曲應力。相比S2型支架，S4支架的彎曲應力減少了50%左右，而梯形支架減少了將近80%。在工程應用中，當S2型支架明顯因為彎曲應力較大，不能滿足規(guī)范時，可以通過上述分析比較判斷是否能用S4型支架或者梯形支架代替以滿足規(guī)范要求。

2.2 方鋼長度和托臂層數(shù)對支架應力的影響

電纜橋架結(jié)構(gòu)主要是由方鋼和托臂組成，兩者的結(jié)構(gòu)對支架的應力均有著重要影響。以S2型支架為例，通過力學計算和結(jié)果比較，考察方鋼長度和托臂層數(shù)對支架受力的影響。以單側(cè)四層S2型支架為例，分別建立方鋼長度為1、1.5、2、2.5、3、4 m的支架整體模型進行力學分析。為考察托臂層數(shù)對該支架譜分析的影響，分別建立2、5、8、10、15層的支架模型進行力學分析，計算結(jié)果如圖3所示。

支架主要承受的是彎曲應力。從圖3可以看出，隨著方鋼長度的增加，支架的彎曲應力明顯增大。當方鋼長度達到2.5 m時，0/A/B工況下彎曲應力接近許用值，D工況下的彎曲應力已超過許用值。方鋼長度超過2.5 m時，彎曲應力增大很多。隨著托臂層數(shù)的增加，電纜載荷也隨之增大，彎曲應力增加幅度較大，當達到8層左右時，就已經(jīng)達到許用值。

圖2 有限元模型

表4 不同類型支架的受力

圖3 方鋼長度和托臂層數(shù)對彎曲應力的影響

2.3 托臂截面形式對支架應力的影響

電纜橋架的托臂與支撐方剛的焊接是主要的受力點之一，托臂截面形狀分為三種：單層異形鋼、雙層異形鋼和雙層槽鋼。焊縫應力強度的評定是通過提取方鋼與托臂連接中心的載荷，并計算剪切應力和等效應力eq[4]。以單側(cè)四層S2型支架為例，建立上述三種截面形狀的托臂的電纜支架，提取方鋼與托臂連接中心的載荷并計算剪切應力和等效應力，載荷大小見表5。

表5 方鋼與托臂連接中心載荷

表6 焊縫截面有效參數(shù)

3 結(jié)論

核電站電纜橋架的抗震分析對于整個核電站地震情況下的安全有著不可忽視的作用。文中所總結(jié)出來的規(guī)律以及提出的一些判斷方法實用性強。在實際工程應用中，通過比較分析可以據(jù)此簡單地判斷支架是否滿足規(guī)范要求，減少了不必要的重復工作和大量的人力，提高了工作效率。通過研究計算分析所得的數(shù)據(jù)，更可為以后華龍一號核電站電纜橋架的自主設計和改進打下了基礎。

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Mechanical Calculation and Engineering Application of Cable Tray in Nuclear Power Plant

LI He1, DANG Jun-jie1, GAO Qi-le1, LI Wen-mo2

(1. China Nuclear Power Engineering Co, Ltd, Beijing 100840, China; 2. SPIC China Power Complete Equipment Co, Ltd, Beijing 100080, China)

To research on the stress rules of the cable tray.Overall modeling and mechanical analysis of cable tray were carried out with the ANSYS finite element method. The seismic capacity of the cable tray for S2, S4 and trapezoid was discussed. Influences of different length of square steel and different number of bracket arm on the seismic capacity were discussed. Furthermore, the carrying capacity for bracket arm of three different cross-sections were discussed.The seismic capacity of the trapezoid cable tray was stronger than other two kinds of trays. If the length of square steel and number of bracket arm were increased, the force of the cable tray would be raised and it’s seismic capacity would be reduced. Compared with the other two forms of the bracket arms the bracket arm of the profiled steel cross-section had more effect on the carrying capacity of the try.It lays a foundation for the self-design and improvement of cable tray in nuclear power plant.

cable tray; finite element; seismic analysis

10.7643/ issn.1672-9242.2019.02.006

TM623

A

1672-9242(2019)02-0027-05

2018-11-23；

2018-12-11

李賀（1989—），男，北京人，碩士，工程師，主要研究方向為機械工程。