反應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中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024)

0 前言

主行吊是反應堆廠房的重要組成部分，屬于核電廠中的抗震設備。其安全等級為NC(S)，抗震等級為NO。按照NB/T 20234-2013《核電廠專用起重機設計準則》[1]，起重機在安全停堆地震(SSE)工況下，大車和小車應能保持在各自軌道上，不碰建筑物，也無零部件掉落，組合應力應小于材料的屈服強度。地震后，所有部件經過檢修，仍能保持其設計功能[2]。

為精確了解主行吊在安全停堆地震(SSE)時的結構抗震特性及提供設計計算需要的接口數據，參照GB/T 3811-2008《起重機設計規范》[3]、NB/T 20234—2013《核電廠專用起重機設計準則》和ASME《橋式和門式起重機制造標準》[4]，采用反應譜法[5-7]，應用有限元分析程序對主行吊進行地震載荷下多種工況組合的動態反應分析,并對抗震計算結果進行了評定。

1 力學模型及邊界約束條件[8]

圖1為主行吊結構示意圖，包括橋架和小車兩部分，兩者均為焊接結構。橋架由兩根主梁、兩根端梁及附屬鋼結構等組成，小車在主梁上方的小車軌道上運行并起吊重物。在建立力學模型時，選用有限元分析程序Ansys中的三維梁單元BEAM188、質量單元MASS21和模擬繩索的單元LINK180作為基本單元，根據結構實際位置、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 主行吊結構示意圖

圖2 主行吊有限元模型

模型中x方向為主行吊小車運行軌道方向，y方向為大車運行軌道方向，z方向為豎直方向。根據實際工況，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1、2耦合x、y、z三個方向，輪對3、4耦合y、z方向(依據為參考文獻[4]中相關規定)。大車四個臺車處采用簡支約束。

2 材料參數及應力限值

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，強度極限σb=470 MPa[9]。

按照主行吊技術規格書中對結構件材料許用應力的要求，橋架各構件在SSE工況下的許用應力為屈服極限345 MPa。

3 載荷工況

參照ASME NOG-1-2015和《核電廠抗震設計規范》[10]的要求，在安全停堆地震(SSE)載荷下，按空載和滿載(235 t)，小車與橋架的相對位置等因素進行載荷工況組合，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 結構模態分析

模態分析用于確定結構的振動特性，即結構的固有頻率和振型。為了保證抗震計算結果的準確性和精度，對于本次計算分析的主行吊這種較復雜結構，需要求解較多振型才能準確計算出地震作用，從而保證振型參與質量超過模型總質量的90%。要滿足此要求，首先應當通過模態分析得到振型參與系數，確定在地震載荷作用下起到主導作用的模態，以確保選取足夠多的模態數，更準確地反映結構的振動特性，從而保證計算精度。通過模態分析可知，選取主行吊前100階固有頻率作為計算頻率，可以滿足規范中關于振型參與質量達到模型總質量90%的要求。故在以下分析時，對于主行吊各工況，均選取前100階固有頻率進行抗震計算。

5 地震響應計算結果

采用反應譜分析法，對主行吊進行自重及地震載荷作用下的結構反應分析。計算得到橋架各部件的應力、輪壓、鋼絲繩力等結果。

抗震計算輸入參數為主行吊對應標高的樓層反應譜中x、y、z三個方向的地震加速度。依據ASME規范，通過譜分析分別得到主行吊在三個方向地震載荷作用下的結構動態響應值，取每個分量的最大響應值，按照平方和開根號進行組合，再與自重(即靜力工況)結果相加，從而得到地震總響應計算結果。

反應譜分析時的各階模態合并方式為CQC法，即完全二次項組合方法，此方法不光考慮了各個主振型的平方項，還考慮了各主振型間的耦合效應，對于復雜結構，計算結果精度高，在抗震設計中被廣泛使用。

5.1 結構應力響應

主行吊主要部件在安全停堆地震(SSE)多種工況下的最大應力響應如表2所示。

表2 主行吊最大應力結果匯總表 MPa

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

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

圖3 工況2時主梁應力云圖/MPa(靜力)

圖4 工況2時主梁應力響應云圖

5.2 結構位移響應

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如表3所示。

表3 主行吊最大位移結果匯總表 mm

由計算結果可知，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為143.82 mm，端梁最大位移響應為109.99 mm。主行吊位移主要為y方向位移(即大車運行軌道方向)，因此在地震時不會碰到反應堆廠房。

5.3 臺車力響應

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

表4 主行吊大車臺車力結果匯總表 kN

表5 主行吊大車水平X向臺車力結果匯總表 kN

表6 主行吊大車水平Y向臺車力結果匯總表 kN

由計算結果可知，在安全停堆地震(SSE)工況下，主行吊最大臺車力為3 735.35 kN，發生在工況4，即小車位于跨端位置滿載。大車水平x向最大臺車力為836.44 kN，發生在工況1。大車水平y向最大臺車力為396.35 kN，發生在工況3。臺車力的計算結果作為接口數據輸出，為結構設計人員校核大車車輪及臺車平衡架鉸軸在地震載荷作用下的強度提供依據。

5.4 臺車上拋力

主行吊臺車上拋力匯總如表7所示。由計算結果可知，在安全停堆地震(SSE)載荷作用下，主行吊大車臺車最大上拋力為-12.67 kN，即無上拋情況發生。

表7 主行吊大車臺車上拋力匯總表 kN

5.5 鋼絲繩力響應

主行吊小車吊具重6.4 t，鋼絲繩分支數為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)，單股鋼絲繩力響應計算結果如表8所示。

表8 單股鋼絲繩力響應 kN

由計算結果可知，主行吊起升鋼絲繩在SSE地震各工況下，吊載235 t時，單股鋼絲繩最大受力為291.03 kN，遠小于破斷拉力1 630 kN，滿足規范要求。

6 結束語

通過對反應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)，小車與橋架的相對位置進行載荷工況組合，分別進行地震反應譜分析，由分析結果可知：主行吊各部件的強度及鋼絲繩力滿足技術規格書及抗震規范的要求，且在地震載荷作用下，無上拋現象發生。

本文的研究對起重機抗震設計具有一定的參考價值。并且此研究方法還可以推廣到其他核電站起重機的抗震分析與研究中，應用前景廣闊。