核電廠抗震風(fēng)管支架自動化設(shè)計研究

俞冬良（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233)

風(fēng)管用支架不僅在核電項目中，而且在民用及其他工業(yè)項目中有著較為廣泛的應(yīng)用，但項目特點不同，民用的常采用傳統(tǒng)重力支吊架，是以承受重力為主要荷載的支撐系統(tǒng)，并不具備抗震能力，尤其不能滿足目前主流第 3 代核電項目的抗震要求。在核電方面，20 世紀 80年代，國內(nèi)曾起草過一份 EJ 386—1989《三十萬千瓦壓水堆核電廠安全有關(guān)的風(fēng)管道支架設(shè)計規(guī)范》，但受當(dāng)時的計算機發(fā)展限制，并沒有借助自動化計算工具進行輔助設(shè)計。

國外，對于工業(yè)項目支架結(jié)構(gòu)研究較多的往往是一些較為成熟的成套產(chǎn)品供應(yīng)商，其支架計算軟件所采用的規(guī)范標準以美標和歐標為主，在標準方面與第 3 代非能動核電項目基本吻合，但由于其主要目的是為了實現(xiàn)產(chǎn)品的配套設(shè)計，所以對產(chǎn)品目錄之外的其他結(jié)構(gòu)形式或截面類型并不具備設(shè)計能力。

因此開展核電廠抗震風(fēng)管自動化設(shè)計研究，開發(fā)出適用于國內(nèi)核電廠常用風(fēng)管支架形式和截面類型、滿足第 3 代核電抗震要求的風(fēng)管支架計算程序，顯得十分迫切和必要。

1 自動化設(shè)計的可行性

目前國內(nèi)核電廠支架設(shè)計所采用的規(guī)范標準以美標和歐標為主。以第 3 代非能動核電項目為例，使用 GTStrud l 有限元軟件建立計算模型，對風(fēng)管支吊架進行計算。根據(jù)美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 AISC—S—335—1989[1]和焊接規(guī)范 AWS D 1.1—2010[2]，對風(fēng)管支吊架構(gòu)件和焊縫進行驗算。

經(jīng)過第 3 代非能動核電項目大量抗震風(fēng)管支架的設(shè)計實踐，發(fā)現(xiàn)抗震風(fēng)管支架在設(shè)計方法、設(shè)計流程與結(jié)構(gòu)評定等方面基本一致，具有明顯的可重復(fù)性，但抗震風(fēng)管支架設(shè)計仍存在布置形式混亂、截面選用不統(tǒng)一、力學(xué)驗算重復(fù)工作多、計算效率低下等問題。經(jīng)研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)，目前抗震風(fēng)管支架設(shè)計普遍存在以下自動化改進項。

（1）對于同一類型的支架， 由于支架尺寸和構(gòu)件截面的差異都需要重新建立有限元模型，不僅重復(fù)勞動，還容易造成人為錯誤。

（2）GTStrud l 有限元軟件輸出的節(jié)點荷載往往以模型整體坐標系或單元局部坐標系的形式輸出，在節(jié)點焊縫驗算時需要人工轉(zhuǎn)換。

（3）支架節(jié)點焊縫以圍焊為主，焊縫長度與構(gòu)件截面相關(guān)，目前手動計算無法與有限元模型中的構(gòu)件關(guān)聯(lián)，自動化程度低。

但通過梳理發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)支架形式較為簡單，非常適合開展自動化分析。因此從截面類型和幾何尺寸繁多的支架中抽象出幾類標準形式，借助計算機進行參數(shù)化建模和標準化設(shè)計已成為支吊架設(shè)計的發(fā)展趨勢。

2 研究思路

抗震風(fēng)管支架的自動化研究從標準抗震支架類型梳理、標準抗震支架基本參數(shù)確定和支架構(gòu)件截面庫建立三個方面推進，為最終實現(xiàn)標準抗震支架自動化設(shè)計程序開發(fā)創(chuàng)造基礎(chǔ)和條件。

2.1 標準抗震支架類型梳理

通過梳理，從核電廠大量抗震風(fēng)管支架中篩選出幾類標準形式，作為自動化設(shè)計研究的對象。圖1～ 2 是第 3 代非能動核電廠中兩類最常用的支架類型，占風(fēng)管支架總量的15%～25%。以標準支架作為研究對象，既保證了研究方法的可實施性，同時又保證了研究標準支架在總支架中占比的價值。

圖1 標準支架類型 1

圖2 標準支架類型 2

2.2 標準抗震支架基本參數(shù)確定

標準抗震支架的基本參數(shù)包括幾何參數(shù)、材料參數(shù)、截面類型、荷載信息、支架類型、布置方向和支架生根處的地震加速度等。其中幾何參數(shù)用于確定標準抗震支架有限元模型中的節(jié)點坐標，是參數(shù)化建模的關(guān)鍵參數(shù)。標準支架類型1 的幾何參數(shù)定義可參考圖3。

圖3 幾何參數(shù)定義（標準支架類型 1）

2.3 支架構(gòu)件截面庫建立

目前第 3 代非能動核電廠的抗震風(fēng)管支架多采用圓形方鋼截面及等邊角鋼截面型鋼。GTStrud l 有限元軟件中并不支持國標型鋼庫，因此需參考國標規(guī)范 GB/T 3094－2012《冷拔異型鋼管》和 GB/T 706－2008《熱軋型鋼》在GTStrud l 中建立圓角方鋼和等邊角鋼兩類截面庫。

2.4 標準抗震支架自動化設(shè)計程序開發(fā)

標準抗震支架自動化設(shè)計程序基于 VB 6.0 平臺進行開發(fā)，借助 VB 6.0 的窗體，將基本參數(shù)轉(zhuǎn)化為有限元軟件可識別的命令流文件，然后通過 VB 調(diào)用有限元軟件運行命令流文件，得到風(fēng)管支架的內(nèi)力結(jié)果文件和桿件驗算結(jié)果，再使用 VB 從內(nèi)力結(jié)果文件中提取支架節(jié)點反力進行節(jié)點計算，最后將計算結(jié)果自動寫入 word 文檔，形成正式的計算報告。整個標準抗震風(fēng)管支架自動化設(shè)計程序的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系見圖4。

圖4 標準抗震風(fēng)管支架設(shè)計數(shù)據(jù)流

3 研究成果及優(yōu)勢

依照本文的研究思路，已開發(fā)出一套以 GTStrud l 結(jié)構(gòu)有限元分析軟件為核心，采用參數(shù)化輸入界面，內(nèi)置國標型鋼截面庫，并以美標 AISC—S— 335 和 AWS D 1.1— 2010 作為驗算規(guī)范的自動化計算軟件。該軟件具有以下優(yōu)點。

（1）實現(xiàn)標準抗震風(fēng)管支架的參數(shù)化建模，替代設(shè)計人員大量人工操作，避免人工誤操作，同時可節(jié)省約 90%人工時。

（2）用軟件的形式將設(shè)計方法和設(shè)計流程固化，實行一次驗證反復(fù)使用的目的，可大大減少校核和審核的工作量。

（3）借助計算機技術(shù)可實現(xiàn)對幾十種工況的分別驗算，采用精細化計算取代歸并和包絡(luò)計算，避免設(shè)計裕量過度累積，提高了設(shè)計產(chǎn)品的經(jīng)濟性。

（4）實現(xiàn)支架構(gòu)件截面和布置形式的標準化，可以減少采購成本，縮短施工周期。

（5）軟件可實現(xiàn)有限元模型自動生成、桿件和節(jié)點自動復(fù)核、計算報告自動生成等多項功能，真正實現(xiàn)了標準抗震風(fēng)管支架的全流程自動化設(shè)計。

4 結(jié) 語

在全社會都在提倡“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的大背景下，如何實現(xiàn)傳統(tǒng)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、工具創(chuàng)新，如何提高工作效率和產(chǎn)品的經(jīng)濟性，值得技術(shù)人員思考。本文以核電廠抗震風(fēng)管支架的自動化設(shè)計研究為切入點，從截面類型和幾何尺寸眾多的支架中抽象出幾類標準形式，確定每類標準支架的基本參數(shù)，并借助計算機對標準支架進行參數(shù)化建模和標準化設(shè)計，大大提高了標準支架的設(shè)計效率和質(zhì)量。通過核電廠標準抗震風(fēng)管支架的自動化實踐，給廣大技術(shù)人員提供了一個全新的設(shè)計思路和研究方向。