反應(yīng)堆廠房主行吊抗震分析

朱 濤

(1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

0 前言

主行吊是反應(yīng)堆廠房的重要組成部分，屬于核電廠中的抗震設(shè)備。其安全等級(jí)為NC(S)，抗震等級(jí)為NO。按照NB/T 20234-2013《核電廠專用起重機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[1]，起重機(jī)在安全停堆地震(SSE)工況下，大車和小車應(yīng)能保持在各自軌道上，不碰建筑物，也無(wú)零部件掉落，組合應(yīng)力應(yīng)小于材料的屈服強(qiáng)度。地震后，所有部件經(jīng)過(guò)檢修，仍能保持其設(shè)計(jì)功能[2]。

為精確了解主行吊在安全停堆地震(SSE)時(shí)的結(jié)構(gòu)抗震特性及提供設(shè)計(jì)計(jì)算需要的接口數(shù)據(jù)，參照GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]、NB/T 20234—2013《核電廠專用起重機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》和ASME《橋式和門式起重機(jī)制造標(biāo)準(zhǔn)》[4]，采用反應(yīng)譜法[5-7]，應(yīng)用有限元分析程序?qū)χ餍械踹M(jìn)行地震載荷下多種工況組合的動(dòng)態(tài)反應(yīng)分析,并對(duì)抗震計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了評(píng)定。

1 力學(xué)模型及邊界約束條件[8]

圖1為主行吊結(jié)構(gòu)示意圖，包括橋架和小車兩部分，兩者均為焊接結(jié)構(gòu)。橋架由兩根主梁、兩根端梁及附屬鋼結(jié)構(gòu)等組成，小車在主梁上方的小車軌道上運(yùn)行并起吊重物。在建立力學(xué)模型時(shí)，選用有限元分析程序Ansys中的三維梁?jiǎn)卧狟EAM188、質(zhì)量單元MASS21和模擬繩索的單元LINK180作為基本單元，根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際位置、截面特性及重量分布情況建立有限元模型如圖2所示。

圖1 主行吊結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 主行吊有限元模型

模型中x方向?yàn)橹餍械跣≤囘\(yùn)行軌道方向，y方向?yàn)榇筌囘\(yùn)行軌道方向，z方向?yàn)樨Q直方向。根據(jù)實(shí)際工況，主行吊的大車與小車之間采用耦合自由度的方式連接，其中小車輪對(duì)1、2耦合x(chóng)、y、z三個(gè)方向，輪對(duì)3、4耦合y、z方向(依據(jù)為參考文獻(xiàn)[4]中相關(guān)規(guī)定)。大車四個(gè)臺(tái)車處采用簡(jiǎn)支約束。

2 材料參數(shù)及應(yīng)力限值

主行吊選用材料為Q345C。彈性模量E=210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。鋼材的屈服極限σs=345 MPa，強(qiáng)度極限σb=470 MPa[9]。

按照主行吊技術(shù)規(guī)格書(shū)中對(duì)結(jié)構(gòu)件材料許用應(yīng)力的要求，橋架各構(gòu)件在SSE工況下的許用應(yīng)力為屈服極限345 MPa。

3 載荷工況

參照ASME NOG-1-2015和《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]的要求，在安全停堆地震(SSE)載荷下，按空載和滿載(235 t)，小車與橋架的相對(duì)位置等因素進(jìn)行載荷工況組合，建立各載荷工況組合如表1所示，小車不同位置如圖2所示。

表1 主行吊載荷工況表

4 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。為了保證抗震計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度，對(duì)于本次計(jì)算分析的主行吊這種較復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要求解較多振型才能準(zhǔn)確計(jì)算出地震作用，從而保證振型參與質(zhì)量超過(guò)模型總質(zhì)量的90%。要滿足此要求，首先應(yīng)當(dāng)通過(guò)模態(tài)分析得到振型參與系數(shù)，確定在地震載荷作用下起到主導(dǎo)作用的模態(tài)，以確保選取足夠多的模態(tài)數(shù)，更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，從而保證計(jì)算精度。通過(guò)模態(tài)分析可知，選取主行吊前100階固有頻率作為計(jì)算頻率，可以滿足規(guī)范中關(guān)于振型參與質(zhì)量達(dá)到模型總質(zhì)量90%的要求。故在以下分析時(shí)，對(duì)于主行吊各工況，均選取前100階固有頻率進(jìn)行抗震計(jì)算。

5 地震響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

采用反應(yīng)譜分析法，對(duì)主行吊進(jìn)行自重及地震載荷作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析。計(jì)算得到橋架各部件的應(yīng)力、輪壓、鋼絲繩力等結(jié)果。

抗震計(jì)算輸入?yún)?shù)為主行吊對(duì)應(yīng)標(biāo)高的樓層反應(yīng)譜中x、y、z三個(gè)方向的地震加速度。依據(jù)ASME規(guī)范，通過(guò)譜分析分別得到主行吊在三個(gè)方向地震載荷作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)值，取每個(gè)分量的最大響應(yīng)值，按照平方和開(kāi)根號(hào)進(jìn)行組合，再與自重(即靜力工況)結(jié)果相加，從而得到地震總響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。

反應(yīng)譜分析時(shí)的各階模態(tài)合并方式為CQC法，即完全二次項(xiàng)組合方法，此方法不光考慮了各個(gè)主振型的平方項(xiàng)，還考慮了各主振型間的耦合效應(yīng)，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果精度高，在抗震設(shè)計(jì)中被廣泛使用。

5.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

主行吊主要部件在安全停堆地震(SSE)多種工況下的最大應(yīng)力響應(yīng)如表2所示。

表2 主行吊最大應(yīng)力結(jié)果匯總表 MPa

由計(jì)算結(jié)果可知，在安全停堆地震(SSE)載荷工況下，主行吊大車主梁最大應(yīng)力響應(yīng)為188.54 MPa，端梁最大應(yīng)力響應(yīng)為154.50 MPa。依據(jù)材料參數(shù)及應(yīng)力限值可知，主行吊在地震工況下各主要部件最大應(yīng)力均滿足要求。

工況2時(shí)，主行吊主梁在靜力作用下的應(yīng)力云圖如圖3所示。主梁分別在x、y、z三個(gè)方向地震載荷作用下的應(yīng)力響應(yīng)云圖如圖4所示。

圖3 工況2時(shí)主梁應(yīng)力云圖/MPa(靜力)

圖4 工況2時(shí)主梁應(yīng)力響應(yīng)云圖

5.2 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

主行吊主要部件在安全停堆地震(SSE)多種工況下的最大位移響應(yīng)如表3所示。

表3 主行吊最大位移結(jié)果匯總表 mm

由計(jì)算結(jié)果可知，在安全停堆地震(SSE)載荷工況下，主行吊大車主梁最大位移響應(yīng)為143.82 mm，端梁最大位移響應(yīng)為109.99 mm。主行吊位移主要為y方向位移(即大車運(yùn)行軌道方向)，因此在地震時(shí)不會(huì)碰到反應(yīng)堆廠房。

5.3 臺(tái)車力響應(yīng)

主行吊在安全停堆地震(SSE)多種工況組合下的最大臺(tái)車力響應(yīng)如表4～表6所示。

表4 主行吊大車臺(tái)車力結(jié)果匯總表 kN

表5 主行吊大車水平X向臺(tái)車力結(jié)果匯總表 kN

表6 主行吊大車水平Y(jié)向臺(tái)車力結(jié)果匯總表 kN

由計(jì)算結(jié)果可知，在安全停堆地震(SSE)工況下，主行吊最大臺(tái)車力為3 735.35 kN，發(fā)生在工況4，即小車位于跨端位置滿載。大車水平x向最大臺(tái)車力為836.44 kN，發(fā)生在工況1。大車水平y(tǒng)向最大臺(tái)車力為396.35 kN，發(fā)生在工況3。臺(tái)車力的計(jì)算結(jié)果作為接口數(shù)據(jù)輸出，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員校核大車車輪及臺(tái)車平衡架鉸軸在地震載荷作用下的強(qiáng)度提供依據(jù)。

5.4 臺(tái)車上拋力

主行吊臺(tái)車上拋力匯總?cè)绫?所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在安全停堆地震(SSE)載荷作用下，主行吊大車臺(tái)車最大上拋力為-12.67 kN，即無(wú)上拋情況發(fā)生。

表7 主行吊大車臺(tái)車上拋力匯總表 kN

5.5 鋼絲繩力響應(yīng)

主行吊小車吊具重6.4 t，鋼絲繩分支數(shù)為16，單股鋼絲繩破斷拉力為1 630 kN。主行吊在SSE地震工況下(滿載時(shí))，單股鋼絲繩力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 單股鋼絲繩力響應(yīng) kN

由計(jì)算結(jié)果可知，主行吊起升鋼絲繩在SSE地震各工況下，吊載235 t時(shí)，單股鋼絲繩最大受力為291.03 kN，遠(yuǎn)小于破斷拉力1 630 kN，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆廠房主行吊在安全停堆地震載荷下，按空載和臨界載荷(235 t)，小車與橋架的相對(duì)位置進(jìn)行載荷工況組合，分別進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析，由分析結(jié)果可知：主行吊各部件的強(qiáng)度及鋼絲繩力滿足技術(shù)規(guī)格書(shū)及抗震規(guī)范的要求，且在地震載荷作用下，無(wú)上拋現(xiàn)象發(fā)生。

本文的研究對(duì)起重機(jī)抗震設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。并且此研究方法還可以推廣到其他核電站起重機(jī)的抗震分析與研究中，應(yīng)用前景廣闊。