某電纜橋架抗震計(jì)算分析與評(píng)定①

盧輝

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 引 言

電纜橋架是使電線、電纜、管纜鋪設(shè)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的電纜鋪設(shè)裝置，是核電廠房中重要的組成部分，保證了大量的能動(dòng)設(shè)備的正常運(yùn)行。電纜橋架由支架、托臂和安裝附件等組成，常見(jiàn)的電纜橋架是通過(guò)很多個(gè)支架連接形成的。電纜橋架有很多種類[1]，如：托臂支架、典型支吊架、異性支架、梯形支架、次托盤支架等，按橋架材質(zhì)分為鋼制、玻璃鋼及鋁合金三類[2,3]。

地震災(zāi)害中，如果電纜橋架受到損壞，將會(huì)導(dǎo)致核電廠的重要能動(dòng)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)作，會(huì)引起很大的公共財(cái)產(chǎn)的損失，因此，保證電纜橋架在地震作用下的安全性是必不可少的環(huán)節(jié)，就某電纜橋架進(jìn)行抗震計(jì)算分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，校核其是否滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

1 模 型

1.1 結(jié)構(gòu)概況

分析對(duì)象為三跨的電纜橋架，每跨跨度1.2m，支架柱截面采用方鋼形式，支架底板通過(guò)M30螺栓與地面相連。橋架分兩種規(guī)格，500mm橋架通過(guò)雙異型鋼托臂支撐和梯形支架連接，200mm橋架通過(guò)雙槽型鋼托臂支撐和托盤式支架連接。兩個(gè)橋架分別用側(cè)面和底面帶有通風(fēng)模塊的防火保護(hù)裝置進(jìn)行包覆，支架、托臂、支撐等均用防火保護(hù)裝置進(jìn)行包覆。

1.2 材料特性

該橋架結(jié)構(gòu)鋼材均采用Q235B碳鋼，底板采用20mm厚鋼板，支架柱為厚度8mm鋼材橋架結(jié)構(gòu)其他小型連接件厚度為1.2mm～3mm不等。橋架支撐連接螺栓采用M20的A4-80螺栓。根據(jù)ASME AG-1規(guī)范[4]，非承壓、非緊固件許用應(yīng)力取值Sm=min(2Sy/3，Su/4)；緊固件許用應(yīng)力取值Sm=min(Re/4，Rm/5)；各材料常溫下的機(jī)械力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 橋架結(jié)構(gòu)材料常溫下機(jī)械力學(xué)性能

1.3 計(jì)算模型

輸入的荷載包括結(jié)構(gòu)的自重、配重地震荷載等。其中，梯形橋架的防火保護(hù)裝置含兩條通風(fēng)模塊的重量為53kg/m，橋架內(nèi)配重為33kg/m，橋架的整體載荷為86kg/m；托盤式橋架的防火保護(hù)裝置含兩條通風(fēng)模塊的重量為41kg/m，橋架內(nèi)配重為20kg/m，橋架的整體載荷為61kg/m。

對(duì)于橋架、內(nèi)部連接安裝板、底板等均采用殼單元(shell)模擬，不模擬內(nèi)部電纜等器件剛度，其質(zhì)量均勻加到橋架上，螺栓以及包覆材料模擬采用實(shí)體單元，約束長(zhǎng)度模擬真實(shí)情況。ABAQUS有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

依據(jù)抗震計(jì)算的要求以及電纜橋架的抗震安全性，將荷載組合依據(jù)ASMEAG-1要求分為B、D二級(jí)荷載組合形式，SL-1為運(yùn)行基準(zhǔn)地震，SL-2為安全停堆地震。荷載組合方式如表2所示。

圖1 橋架結(jié)構(gòu)有限元模型圖

表2 橋架結(jié)構(gòu)荷載組合方式

圖2 橋架結(jié)構(gòu)第1階振型

2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則

橋架結(jié)構(gòu)主要受力部件均為板殼型部件，按ASME-AG-1-2015中TABLE AA-4321設(shè)計(jì)要求評(píng)定，固定螺栓評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)參考ASME第Ⅲ卷第一冊(cè)NF分卷NF3324規(guī)范要求，主要受力部件及固定螺栓的應(yīng)力評(píng)定限值見(jiàn)表3-4，其中，為薄膜應(yīng)力，為彎曲應(yīng)力

表3 板殼型支撐構(gòu)件應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則及限制(MPa)

圖3 橋架結(jié)構(gòu)第2階振型

圖4 橋架結(jié)構(gòu)第3階振型

圖5 橋架結(jié)構(gòu)第4階振型

表4 固定螺栓應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則及限制(MPa)

3 計(jì)算結(jié)果與評(píng)定

3.1 動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果

采用通用有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析。該模型的總重量為1.16t，計(jì)算了結(jié)構(gòu)的前250階模態(tài)，頻率介于16.54Hz-423.20Hz。模型橫、縱、豎三方向前250 階的累計(jì)參與質(zhì)量百分比分別為90.78%、90.03%和91.06%。模型前4階模態(tài)振型見(jiàn)圖2-圖5。

3.2 應(yīng)力分析結(jié)果與評(píng)定

輸入SL-1、SL-2地震荷載，將三個(gè)方向的計(jì)算結(jié)果采用SRSS的方法進(jìn)行振型組合，同時(shí)加上自重，得到該橋架結(jié)構(gòu)的主要部件在各使用等級(jí)下的薄膜應(yīng)力及薄膜加彎曲應(yīng)力。B級(jí)工況下，最大應(yīng)力為24.62MPa，D級(jí)工況下，最大應(yīng)力為44.79MPa。根據(jù)橋架結(jié)構(gòu)在B、D級(jí)使用荷載工況下的最大響應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表5。橋架結(jié)構(gòu)固定螺栓承受的最不利地震響應(yīng)應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 橋架結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件最不利位置應(yīng)力評(píng)定(MPa)

表6 橋架結(jié)構(gòu)連接螺栓應(yīng)力值最大值(MPa)

4 結(jié) 論

核電電纜橋架的抗震分析對(duì)核電廠的安全正常運(yùn)行具有重要作用，對(duì)某核電電纜橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析和評(píng)定。該橋架結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)連接螺栓的抗震安全性滿足規(guī)范規(guī)定的抗震技術(shù)要求。分析所得的數(shù)據(jù)對(duì)電纜橋架的自主設(shè)計(jì)和進(jìn)一步改進(jìn)具有借鑒意義。