核電站起重機結構抗震設計標準研究

沈艷祥 高揚 徐嵐

中國核電工程有限公司，北京 ，100840

核電站起重機結構抗震設計標準研究

沈艷祥 高揚 徐嵐

中國核電工程有限公司，北京 ，100840

本文對ASME NOG-1-2010和GB/T 3811-2008關于起重機結構抗震設計內容進行了介紹，詳細分析了不同標準對于起重機結構抗震計算在載荷組合、應力限值的區別，有益于我國核電站起重機結構抗震設計標準體系的完善。

核電站；起重機；結構；抗震

我國核電站起重機結構抗震設計方面還沒有建立完善的標準體系，在實際工作中往往需要結合多項國內外標準、規范、或技術規格書來完成設計計算。本文對比分析了GB/T3811-2008《起重機設計規范》（以下簡稱GB/T 3811）與ASME NOG-1-2010“Rules for Construction of Overhead and Gantry Cranes (Top Running Bridge Multiple Girder)”（以下簡稱NOG-1）在起重機結構抗震設計中關于載荷組合、應力限值方面的內容。

1 載荷組合及分析

1.1 GB/T 3811載荷組合

GB/T 3811規定在進行起重機及金屬結構計算時，應該考慮三種不同的基本載荷情況：A——無風工作情況;B——有風工作情況;C——受到特殊載荷作用的工作情況或非工作情況。每種基本載荷又對應若干個具體的載荷組合，其中A載荷情況包含A1-A4四種載荷組合；B載荷情況包含B1-B5五種載荷組合；C載荷情況包含C1-C9九種載荷組合；每組載荷定義可參見GB/T 3811-2008第4.3.3節。其中C8的定義為：起重機帶有額定起升載荷，與起重機基礎外部激勵產生的載荷相組合。這種外部激勵是指由于地震致使起重機發生振動而對起重機引起的載荷。根據GB/T 3811載荷組合表可以確定C8詳細載荷組合：

位移載荷是指由預應力、軌道不均勻沉降等導致結構發生位移或變形引起的載荷。

1.2 NOG-1 載荷組合

NOG-1 將起重機的載荷組合分為五種基本情況：

（a）起重機運行載荷；（b）起重機建造載荷；（c）嚴重環境載荷；（d）極端環境載荷；（e）異常事件載荷。五種基本載荷組合細分為PC1到PC17共17種載荷組合，其中PC10、PC11 、PC12 、PC13 四種組合包含了地震載荷，均屬于極端環境載荷條件。其詳細定義如下：

需特別說明SSE下的臨界載荷與OBE下的臨界載荷含義，是指在SSE和OBE發生時，起重機有可能吊裝的最大臨界載荷，即可能導致放射性介質泄露的載荷。

1.3 載荷組合分析

（1）由1.1節可知GB/T 3811只考慮了起重機負載情況。一般認為起重機結構在負載時的地震響應應力大于空載狀態，因此負載抗震計算滿足要求后可不必再計算空載，這對起重機自身結構計算沒有問題，卻忽略了起重機作用在與承軌梁上的載荷計算，以豎直方向分析為例，規定載荷豎直向下為+，由于地震響應力的方向是雙向的，所以取+ -，由此作用在承軌梁上的載荷為：

式1-6計算結果始終為正，即得到作用在承軌梁上的最大壓力；式1-7計算結果可能為正，也可能為負，如結果為負值，說明起重機對承軌梁產生了上拋力，若此時不考慮負載，上拋力的值將更大。上拋力對承軌梁及軌道設計是極不利的，可能導致起重機跳出軌道，發生跌落事故。因此從設計計算上必須保證承軌梁及軌道系統能夠承受上拋力。為提高核電站對地震事件的防御能力，國內核電站抗震設計基礎加速度提高到0.3g，根據一些工程的計算結果，某些起重機存在著較大上拋力，給起重機設計、廠房及承軌梁設計提出了新的難題?？梢奊B/T 3811只考慮 (1-1)這一種載荷組合是不夠全面的，相比而言，NOG-1的載荷組合就更加完善。

（2）核電廠抗震設計要求根據物項抗震分類的不同，通常在OBE和SSE兩種地震條件下進行設計，而GB/T 3811并未對地震分類進行定義。而NOG-1要求起重機在負載和空載狀態下分別與SSE和OBE兩種地震分別進行組合，即四種工況，見式 (1-2)、 (1-3)、 (1-4)、(1-5)，抗震計算時可以直接按照規范進行組合，可執行性更強。

（3）此外，NOG-1對于抗震計算時起重機的狀態還有更詳細的要求。

2 應力限值

2.1 GB/T3811許用應力

結構件拉伸、壓縮、彎曲的基本許用應力[σ]規定如下。

（1）對于σs/σb＜ 0.7 的鋼材，載荷組合分為A、B、C，對應的基本許用應力[σ]和安全系數n分別為σs/1.48，σs/1.34，σs/1.22，1.48，1.34，1.22。對于σs/σb≥0.7 的鋼材，基本許用應力[σ]按下式計算：

n ：與載荷組合類別相關的強度安全系數，可查表1獲得。

剪切許用應力按下式計算：

地震工況屬于載荷組合C8，因此安全系數按表1選取1.22。由此可知，屈強比小于0.7的鋼材，應力限值σs/1.22，約0.8196σs；屈強比大于等于0.7的鋼材，應力限值為（0.5σs+0.35σb）/1.22，即小于等于0.8196σs。綜合兩類鋼材，拉伸和壓縮許用應力應小于等于0.8196σs，剪切許用應力小于等于0.4732σs。

2.2 NOG-1許用應力

結構件許用應力見表1。

表1 鋼材許用應力

NOG-1地震載荷組合屬于極端環境載荷，因此由表2可知結構的拉伸和壓縮許用應力為0.9σs，剪切許用應力0.5σs。

2.3 許用應力分析

對于拉伸和壓縮載荷產生的許用應力，GB/T3811的許用應力小于等于0.8196σs；NOG-1的許用應力為0.9σs；對于剪切許用應力，GB/T3811規定的限值是0.4732σs，NOG-1規定的限制是0.5σs。由此可見無論是拉壓，還是剪切，GB/T3811選擇的安全系數比NOG-1更小，計算結果更加安全。但從另一方面分析，NOG-1的安全系數更充分的利用了材料的力學性能，其計算結果更具經濟性，當然這與各國鋼材的力學性能及冶煉技術的穩定性是密不可分的，也與良好的工程實踐是息息相關的。

3 結語

通過對比分析GB/T3811和ASME NOG-1可知我國標準在起重機結構抗震設計載荷組合方面尚不完善，其應用具有一定局限性；通過對應力限值的對比分析，可知我國起重機結構抗震計算應力限值選取的安全系數更加保守。

[1]覃鋒,徐龍軍,謝禮立.基于強震記錄的核電廠抗震標準反應譜研究[J].地震學報.2011(01):103-113.

[2]潘蓉.日本柏崎·刈羽核電廠新潟地震震害經驗[J].核安全.2008(01):20-23.

[3]王曉雯,夏祖諷.土建結構與主回路耦聯模型抗震分析研究[J].核動力工程.2002(S1):130-134.

[4]田千里.隔震器在核電站抗震設計中的應用[J].噪聲與振動控制.1986(03):28-32.

沈艷祥/1982年生/男/北京人/碩士/工程師/研究方向為核電站用起和重機設計