主貯油罐地腳螺栓有限元受力分析

李智強 朱靈盛

(中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314000)

1 模型簡介以及技術參數(shù)選取

1.1 模型簡介

柴油機主貯油罐是由錨固板通過螺栓固定在地面基礎上，屬于典型的螺栓加固項目。ANSYS軟件是工程應用分析的有效工具，它在靜力學和動力學上也有著很大的作用[1]，可用于工程、機械、聲學等許多領域。軟件由前處理、求解計算和后處理3個部分組成[2]。有限元分析數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)相比，誤差為2%[3]，有限元分析可以滿足復雜受力工程計算所需要的具有較高精度的結果。

柴油機主貯油罐為臥式容器，由底板、筋板及墊板構成容器的支座，容器共有三個支座，柴油機容器通過與支座墊板焊接固定在支座上，支座由地腳螺栓和加固板壓緊固定在基礎地面上，柴油機主貯油罐支座本身由M56地腳螺栓固定，加固板由48套M80的地腳螺栓和12塊加固板固定。柴油機主貯油罐設備整體有限元模型采用殼單元建立，以等效密度法形式將柴油質(zhì)量均布在容器殼模型上。加固結構有限元模型包括加固板、支座，用來計算結構在事故工況下的應力，采用實體單元建立，支座底板與加固件之間采用接觸單元模擬接觸。

1.2 技術參數(shù)的選取

1.2.1設備承受的荷載

1)結構自重。

計算總質(zhì)量約為316.85 t，其中單個加固板1和加固板2總重為4 100.4 kg，共6組；柴油機主貯油罐含柴油物料總重為292.25 t；

2)地震載荷。

地震載荷考慮SSE級地震。設備的安裝基礎標高為-8.6 m。SSE級地震響應譜取秦山核電廠二期工程柴油機廠房-7.6 m標高樓層譜，結構阻尼比取4%，地面峰值加速度系數(shù)是OBE的2倍，即1.5g。

1.2.2材料參數(shù)

加固板的材料為16MnD，地腳螺栓的材料為42CrMoE，支座的材料為Q235-B。

1.2.3承載力計算

1)前提條件。

基材為混凝土，混凝土強度取為C30，采用RE500-SD植筋膠種植，M80螺桿d=80 mm,材料為8.8級，鋼材屈服強度標準值為fyk=640 MPa，抗拉強度標準值fcu,k=800 MPa，hef=1 100 mm，應力截面面積為AS=4 344 mm2,基材厚度h=1 700 mm，含二次灌漿層厚度300 mm。

電廠汽輪機在檢修維護中涉及了較多的作業(yè)內(nèi)容，其中主要的幾類檢修維護內(nèi)容為：葉輪的檢修及維護、汽輪機異響，振動現(xiàn)象的檢修及維護、汽輪機凝汽器的檢修及維護、汽輪機油系統(tǒng)的檢修及維護、汽輪機大軸的檢修及維護。

2)承載力計算。

a.受拉承載力計算。

①鋼材受拉承載力的設計值。

根據(jù)JGJ 145—2013混凝土結構后錨固技術規(guī)程，錨栓鋼材破壞受拉承載力設計值。NRk,s=(640×4 344/1.2)/1 000=2 313.8 kN。

②混凝土椎體破壞受拉承載力設計值。

③化學螺栓混合破壞的承載力設計值。

根據(jù)JGJ 145—2013混凝土結構后錨固技術規(guī)程，混化學螺栓拔出破壞的承載力設計值NRd,p=1 657.92/1.8=921.07 kN。

根據(jù)JGJ 145—2013混凝土結構后錨固技術規(guī)程，混凝土劈裂破壞承載力設計值NRd,sp=0.842 1×1 958.28/1.8=916.12 kN。

綜合①,②,③,④中的最小值，M80螺栓的受拉承載力為NRd=916.12 kN，為混凝土劈裂破壞控制。

b.受剪承載力計算。

①鋼材受剪破壞承載力VRd,s=(0.5×640×4 344/1.2)/1 000=1 158.4 kN。

②混凝土剪撬破壞承載力設計值VRd,Cp=3 315.84/1.5=2 210.56 kN。

綜合①，②最小值，螺栓受剪承載力VRd=1 154.8 kN，為鋼材破壞控制。

2 模型的計算和分析

本模型選取四塊板作為一個整體進行分析，并對每個螺栓孔位進行編號，以方便選取和分辨受力，模型的平面圖詳見圖1。本文其他孔位之間的距離為定值，分析222，18，189，70這4組孔位Y方向邊距的距離變化引起的受力變化。

2.1 第一種工況

第一種工況下，205號孔位與239號孔位之間的距離為400 mm，239號孔位～222號孔位間距為400 mm，22號孔位～256號孔位間距為445 mm，222號孔位的Y方向邊距為150 mm ，222號孔位的X方向邊距為200 mm；52號孔位～18號孔位距離為465 mm，18號孔位～1號孔位距離為270 mm，1號孔位～35號孔位間距為400 mm，18號孔位的Y方向邊距為270 mm，X方向邊距為170 mm；138號孔位～189號孔位為400 mm,189號孔位～172號孔位為400 mm,172號孔位～155號孔位為400 mm，189號孔位的Y方向邊距為200 mm，89號孔位的X方向邊距為200 mm；87號孔位～70號孔位為400 mm,70號孔位～104號孔位為400 mm,104號孔位～121號孔位間距為470 mm,70號孔位的Y方向邊距為180 mm，X方向邊距為220 mm。

根據(jù)螺栓孔位布置圖，通過建立模型并計算，可得到螺栓受力數(shù)值。

2.2 第二種工況

第二種工況下，孔位之間的間距和X方向的邊距不變，222號孔位的Y方向邊距為180 mm，18號孔位的Y方向邊距為305 mm；189號孔位的Y方向邊距為230 mm， 70號孔位的Y方向邊距為210 mm。

根據(jù)螺栓孔位布置圖，通過建立模型并計算，可得到螺栓受力數(shù)值。

2.3 受力變化分析

當222，18，189，70相對移動之后，經(jīng)對比受力數(shù)據(jù)可知：

1)右側(cè)的加固板1，18，35，52，70，87，104，121孔位的受力普遍下降，左側(cè)的加固板138，155，172，189，205，222，239，256孔位的受力普遍上升；

2)第一種工況中，剪力限定值最大為0.44，軸向力限定值最大為0.44，組合系數(shù)最大為0.58；

3)第二種工況中，剪力限定值最大為0.43，軸向力限定值最大為0.42，組合系數(shù)最大為0.55；

4)第一種工況下，受力數(shù)值減小最大的是205號孔位的軸向力，絕對值為29 550 N；減小比例最大的是70號孔位的剪力，比例為0.308；受力數(shù)值減小最小的是1號孔位的軸向力，絕對值為480 N；減小比例最小的是104號孔位的軸向力，比例為0.003；

5)第二種工況下，受力數(shù)值增大最大的是239號孔位的剪力，絕對值為20 785；增大比例最大的是239號孔位的剪力，比例為0.564；受力數(shù)值增大最小的是222號孔位的軸向力，絕對值為610；增大比例最小的是172號孔位的剪力，比例為0.007。

3 結語

1)兩種工況下，受力均能滿足螺栓承載力的要求；

2)右側(cè)的加固板1，18，35，52，70，87，104，121孔位的受力普遍下降，左側(cè)的加固板138，155，172，189，205，222，239，256孔位的受力普遍上升；

3)在相同的工況下，適當?shù)脑黾幼钔鈧?cè)螺栓的Y方向邊距有助于減小最大比值系數(shù)，增強安全穩(wěn)定性。