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(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

核能作為一種清潔高效能源，具有很高的安全性和經(jīng)濟(jì)性。核電廠由很多的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件所組成，其中門扇承擔(dān)著核電廠構(gòu)筑物的邊界，需要維持所附著屏障的完整性，設(shè)計時需考慮重力、火災(zāi)、風(fēng)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(dǎo)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(jìn)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(zāi)害做了詳細(xì)的說明，抗震性能是其中重要的安全性指標(biāo)。張善文等[3]以AP1000 核電站對開式普通鋼質(zhì)門為研究對象，運用譜分析法對其進(jìn)行抗震性能分析和評估。結(jié)果表明，鋼質(zhì)門整體結(jié)構(gòu)均能滿足安全停堆抗震設(shè)計要求。李陽等[4]也對核電用熱室密封門進(jìn)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(shè)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(chǔ)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(jìn)行分析，然后進(jìn)行驗證并校核。

1 生物屏蔽門模型

1.1 結(jié)構(gòu)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(yù)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(zhì)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(yù)埋件上，每個預(yù)埋件有8 個預(yù)埋鉤固定在墻體上。門扇下部裝有電機與齒條，用于關(guān)閉及開啟生物屏蔽門。門扇內(nèi)部填充防火的膨脹珍珠巖，生物屏蔽門的結(jié)構(gòu)如圖1所示。此生物屏蔽門為抗震I 類設(shè)備，要求此門在關(guān)閉狀態(tài)時整體應(yīng)能承受極限安全地震動載荷（SL-2），確保整體結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能執(zhí)行機構(gòu)的完整性。

圖1 生物屏蔽門的結(jié)構(gòu)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(yīng)用solid 186 單元建模。大門關(guān)閉時，上軌道右側(cè)有較長滑道，為方便建模，對該側(cè)滑道長度進(jìn)行了縮短，計算結(jié)果較為保守。對上軌道之間的連接進(jìn)行節(jié)點耦合處理，門與上軌道部件連接面接觸，預(yù)埋件上預(yù)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(jié)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(shù)

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(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》[5]，得到Q235B 的力學(xué)性能見表1。

表1 材料的力學(xué)性能參數(shù) MPa

2 載荷計算

生物屏蔽門在進(jìn)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(fēng)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(fēng)載荷

根據(jù)文件《廠址有關(guān)設(shè)計參數(shù)》給出風(fēng)載荷值，保守考慮取極大風(fēng)速71.4 m·s-1，將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)壓

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

龍卷風(fēng)風(fēng)壓載荷

式中：K1為尺寸系數(shù)，取0.98；K2為風(fēng)載體形系數(shù)，取0.8；W0為設(shè)計基準(zhǔn)龍卷風(fēng)風(fēng)壓。

安全起見，風(fēng)壓載荷方向水平指向廠房內(nèi)。

2.3 地震載荷

當(dāng)結(jié)構(gòu)第一階頻率小于最大加速度對應(yīng)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(yīng)的頻率小于截斷頻率，則用插值法計算出一階頻率對應(yīng)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(jìn)行抗震計算時首先進(jìn)行模態(tài)分析，通過模態(tài)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(yīng)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(jù)地震譜圖插值得到一階頻率對應(yīng)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(yīng)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(jù)上述條件，對本生物屏蔽門按照剛體進(jìn)行等效靜力法分析。在地震加速度峰值的基礎(chǔ)上乘以靜力系數(shù)1.5，選取4%阻尼比的反應(yīng)譜值，計算得到設(shè)備在x/y/z 方向的地震加速度值，見表2，將計算結(jié)果通過SRSS 組合得到總的地震應(yīng)力。

表2 生物屏蔽門計算采用加速度值 m·s-2

2.4 工況設(shè)置

根據(jù)規(guī)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(fēng)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(fēng)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(yīng)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(guī)定進(jìn)行載荷組合和應(yīng)力評定。ASME BPVC-III-1—2001 中的D 級使用限制（事故工況）進(jìn)行評定。評定要求見表4。

表4 生物屏蔽門的應(yīng)力限制和限值

3.2 應(yīng)力計算及評定

將插值得到的加速度和風(fēng)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(jìn)行靜力法分析，計算結(jié)果通過SRSS 組合得到總的地震應(yīng)力。按照ASME N690—1994 和ASME BPVC-III-1—2001的規(guī)定進(jìn)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(fēng)載荷下的應(yīng)力計算結(jié)果計算應(yīng)力值與對應(yīng)的應(yīng)力限值之比小于等于1，則滿足規(guī)范要求。

門扇面板、上軌道部件在設(shè)計工況下的應(yīng)力組合和評定結(jié)果見表5，事故工況下的應(yīng)力組合和評定結(jié)果見表6。

表5 生物屏蔽門各部件在設(shè)計工況的應(yīng)力評定結(jié)果

表6 生物屏蔽門各部件在事故工況的應(yīng)力評定結(jié)果

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

圖4 設(shè)計工況條件下各部件應(yīng)力云圖

圖5 事故工況條件下各部件應(yīng)力云圖

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

4 結(jié)論

本文對生物屏蔽門應(yīng)用ANSYS 程序建立有限元模型，進(jìn)行考慮自重、外部風(fēng)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(yīng)力，并按照AISC N690—1994 和ASME BPVC-III-1—2001 的規(guī)定對應(yīng)力進(jìn)行評定。結(jié)論如下：

1）評定結(jié)果表明生物屏蔽門各部件的應(yīng)力值都小于對應(yīng)的限值，生物屏蔽門滿足規(guī)范的設(shè)計要求。

2）本文對生物屏蔽門模型首先進(jìn)行模態(tài)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(shù)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(jié)構(gòu)簡單的模型。

3）本設(shè)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(shè)計提供參考。