單扇推拉生物屏蔽門抗震性能分析

王慶豐，聶凱璐，羅廣恩，王 琪

（江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212000）

核能作為一種清潔高效能源，具有很高的安全性和經濟性。核電廠由很多的構筑物、系統和部件所組成，其中門扇承擔著核電廠構筑物的邊界，需要維持所附著屏障的完整性，設計時需考慮重力、火災、風荷載、飛射物碰撞以及地震載荷等，在這些荷載中地震荷載破壞力最大也是導致核泄漏的重要原因[1]。由于核電廠自身的特殊性需要對核電廠用門的抗震性能進行分析。中國核電工程有限公司的和丹等[2]對核電廠外通門要考慮的外部災害做了詳細的說明，抗震性能是其中重要的安全性指標。張善文等[3]以AP1000 核電站對開式普通鋼質門為研究對象，運用譜分析法對其進行抗震性能分析和評估。結果表明，鋼質門整體結構均能滿足安全停堆抗震設計要求。李陽等[4]也對核電用熱室密封門進行抗震計算分析，研究了門扇以及鎖緊壓板在正常工況（自重）、設計工況（自重+SSE）和事故工況（自重+OBE）下的抗震性能。本文在此基礎上介紹了一種核電站用生物屏蔽門并使用ANSYS 對研究對象建立有限元模型，在考慮自重和極限安全地震動載荷組合工況下進行分析，然后進行驗證并校核。

1 生物屏蔽門模型

1.1 結構及模型簡介

擬制定此生物屏蔽門主要由門板面板、上軌道部件、下軌道部件和預埋件等組成的單行推拉門。門扇凈通尺寸為4 200 mm×5 000 mm，面板是323 mm 厚鋼板，門的總質量約為50 t。下部有行走輪與下軌道相連接，上部與上軌道接觸，上軌道的挑梁焊接在預埋件上，每個預埋件有8 個預埋鉤固定在墻體上。門扇下部裝有電機與齒條，用于關閉及開啟生物屏蔽門。門扇內部填充防火的膨脹珍珠巖，生物屏蔽門的結構如圖1所示。此生物屏蔽門為抗震I 類設備，要求此門在關閉狀態時整體應能承受極限安全地震動載荷（SL-2），確保整體結構和相關功能執行機構的完整性。

圖1 生物屏蔽門的結構圖

1.2 抗震分析模型

利用ANSYS 程序中建立生物屏蔽門有限元計算模型，如圖2 所示，主要以門扇面板、上軌道部件等主要承載部件作為分析對象，應用solid 186 單元建模。大門關閉時，上軌道右側有較長滑道，為方便建模，對該側滑道長度進行了縮短，計算結果較為保守。對上軌道之間的連接進行節點耦合處理，門與上軌道部件連接面接觸，預埋件上預埋鉤所在位置、門下部與滑輪連接位置施加位移約束，電機齒輪處約束x 向位移，添加約束如圖3 所示。有限元模型有單元75 038 個，節點20 253 個。

圖2 生物屏蔽門有限元模型

圖3 有限元約束圖

1.3 材料參數

該生物屏蔽門面板、上軌道部件均采用Q235B 材料，查GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》[5]，得到Q235B 的力學性能見表1。

表1 材料的力學性能參數 MPa

2 載荷計算

生物屏蔽門在進行抗震分析時，需要考慮承受極限安全地震動載荷（SL-2）和外部風載荷的共同作用。

2.1 自重

自重載荷為垂直方向上的重力加速度g，g=9.81m·s-2。

2.2 外部風載荷

根據文件《廠址有關設計參數》給出風載荷值，保守考慮取極大風速71.4 m·s-1，將風速轉化為基準龍卷風風壓

式中：R0為空氣密度，取1.293 kg·m-3；V 為極大風速，取71.4 m·s-1；K 為空氣密度修正因子，取1.22。

龍卷風風壓載荷

式中：K1為尺寸系數，取0.98；K2為風載體形系數，取0.8；W0為設計基準龍卷風風壓。

安全起見，風壓載荷方向水平指向廠房內。

2.3 地震載荷

當結構第一階頻率小于最大加速度對應的頻率，則采用地震譜中最大加速度計算，將選取的加速度乘以1.5。如果第一階頻率大于最大加速度對應的頻率小于截斷頻率，則用插值法計算出一階頻率對應的加速度值，將選取的加速度乘以1.5。如果第一階頻率大于截斷頻率33 Hz，直接按剛性加速度計算[1]。

本文中生物屏蔽門模型在進行抗震計算時首先進行模態分析，通過模態計算得到該屏蔽門的一階固有頻率為37.15 Hz，位于最大加速度對應的頻率和截斷頻率之間，因此需要采用插值法計算加速度。根據地震譜圖插值得到一階頻率對應的3 個方向的極限安全地震動峰值加速度分別為：x 方向0.71 g，y 方向0.63 g，z方向0.71 g，其中x 和y 方向為水平方向，z 方向為豎直方向。需要指出的是文件中的地震反應譜方向與本文模型中方向不一樣，本文中生物屏蔽門模型水平方向為x 向和z 向，豎直方向為y 向。

根據上述條件，對本生物屏蔽門按照剛體進行等效靜力法分析。在地震加速度峰值的基礎上乘以靜力系數1.5，選取4%阻尼比的反應譜值，計算得到設備在x/y/z 方向的地震加速度值，見表2，將計算結果通過SRSS 組合得到總的地震應力。

表2 生物屏蔽門計算采用加速度值 m·s-2

2.4 工況設置

根據規格書，對生物屏蔽門的抗震分析載荷作了要求，采用AISC N690—1994 中的事故工況。正常工況為自重，事故工況為自重+SL-2+風載荷。因此生物屏蔽門抗震分析時考慮自重、SL-2 載荷和外部風載荷的載荷組合情況，各工況的荷載組合見表3。

表3 各工況荷載組合

3 地震計算分析

3.1 應力限值

生物屏蔽門的門扇面板、上軌道梁按ASME BPVC-III-1—2001 的規定進行載荷組合和應力評定。ASME BPVC-III-1—2001 中的D 級使用限制（事故工況）進行評定。評定要求見表4。

表4 生物屏蔽門的應力限制和限值

3.2 應力計算及評定

將插值得到的加速度和風載荷按慣性力施加在此生物屏蔽門上，分別加載x/y/z 方向加速度值進行靜力法分析，計算結果通過SRSS 組合得到總的地震應力。按照ASME N690—1994 和ASME BPVC-III-1—2001的規定進行組合和評定，如果生物屏蔽門在自重、極限安全地震動載荷（SL-2）和外部風載荷下的應力計算結果計算應力值與對應的應力限值之比小于等于1，則滿足規范要求。

門扇面板、上軌道部件在設計工況下的應力組合和評定結果見表5，事故工況下的應力組合和評定結果見表6。

表5 生物屏蔽門各部件在設計工況的應力評定結果

表6 生物屏蔽門各部件在事故工況的應力評定結果

經過有限元分析計算，可得到生物屏蔽門的Mises等效應力圖，如圖4、圖5 所示。根據應力圖可以看出，在正常工況下，生物屏蔽門最大應力集中在下滑輪位置，門扇面板的最大應力值為1.57 MPa，上軌道部件的最大應力為1.01 MPa。在事故工況下，生物屏蔽門的最大應力在上軌道部件上。門扇面板的最大應力為18.8 MPa，上軌道部件的最大應力達到189 MPa。

圖4 設計工況條件下各部件應力云圖

圖5 事故工況條件下各部件應力云圖

根據表5 和表6 的評定結果可得，生物屏蔽門門扇和上軌道部件在設計工況下的計算應力值與對應的應力限值比值分別為0.01 和0.006，在事故工況下的應力比值分別為0.05 和0.49，均小于1。應力結果表明：生物屏蔽門能承受設計地震載荷，滿足設計要求。

4 結論

本文對生物屏蔽門應用ANSYS 程序建立有限元模型，進行考慮自重、外部風載荷和極限安全地震動載荷（SL-2）組合的等效靜力分析，計算得到門扇面板、上軌道部件的應力，并按照AISC N690—1994 和ASME BPVC-III-1—2001 的規定對應力進行評定。結論如下：

1）評定結果表明生物屏蔽門各部件的應力值都小于對應的限值，生物屏蔽門滿足規范的設計要求。

2）本文對生物屏蔽門模型首先進行模態分析，通過一階振型頻率確定抗震分析方法為等效靜力分析。等效靜力法操作簡單，工作量小，參數易于確定，可有效減少計算時間，在實際工程中適用于剛度較大、高度較低、結構簡單的模型。

3）本設計方案的剛度較大，抗震性能良好，可以為核電廠外通門的設計提供參考。