核化工廠房設(shè)備室企口形蓋板受力分析及設(shè)計(jì)建議

摘 要：核化工廠的設(shè)備室頂板上需要使用很多企口形蓋板，以滿足防護(hù)輻射的需要。而蓋板受力情況與防護(hù)輻射有密切聯(lián)系，因此本文采用有限元分析軟件構(gòu)建T形和Z形蓋板模型并展開(kāi)計(jì)算，然后從地震和自振兩個(gè)方面分析T形蓋板和Z形蓋板的承載力以及位移分布規(guī)律并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。

關(guān)鍵詞：蓋板；自振頻率；地震分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.012

核輻射安全問(wèn)題是核化工同普通工業(yè)建筑不同的最大區(qū)別，在工程設(shè)計(jì)中通常遵循密封性原則。由于在設(shè)計(jì)蓋板尺寸時(shí)一般以工藝技術(shù)來(lái)確定，對(duì)各種工況下砼蓋板的力學(xué)性能是否與防護(hù)輻射要求相符欠缺分析。又因?yàn)橛嘘P(guān)規(guī)范沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定蓋板構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)核化工廠設(shè)備室企口形蓋板的受力狀況展開(kāi)分析十分必要。

1 計(jì)算模型

（1）計(jì)算模型。為了使計(jì)算更為簡(jiǎn)便，僅僅分析二級(jí)蓋板。工程上常見(jiàn)的有Z型、T型和倒T型企口樣式的二級(jí)蓋板，在小型設(shè)備的吊裝孔或者人孔中可單獨(dú)應(yīng)用T形蓋板，而Z形蓋板無(wú)法單獨(dú)應(yīng)用而是同T形或者倒T形蓋板相互搭接使用。本文采用有限元軟件進(jìn)行有限實(shí)體模型的構(gòu)建并展開(kāi)計(jì)算，ANSYS作為兼容性的有限元軟件，普遍應(yīng)用在核工程領(lǐng)域中。對(duì)約束蓋板進(jìn)行模擬時(shí)采用的采用模型的僅受壓?jiǎn)卧猯ink10單元，而混凝土蓋板用Solid45單元來(lái)模擬，并且通過(guò)施加給模擬不同的重力來(lái)實(shí)現(xiàn)有限元計(jì)算。

（2）計(jì)算參數(shù)。在模型Link10單元中的壓縮模量應(yīng)與混凝土蓋板數(shù)值相同，也就是，混合泊松比為0.2，密度為2700kg/m3，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。

2 企口形蓋板受力分析

（1）自振分析。據(jù)有關(guān)分析得知，蓋板跨度的不斷加大，蓋板的自振頻率隨之降低，大跨度蓋板可更為靈敏感知到振動(dòng)。當(dāng)蓋板跨度在5米以內(nèi)時(shí)，Z形蓋板比T形蓋板的自振頻率低，這主要是因?yàn)樨Q向約束力均勻的在T形蓋板周?chē)┘恿λ拢@時(shí)蓋板孔和T形蓋板分別約束著Z形板的一側(cè)支承邊，非但如此，這兩個(gè)對(duì)T形蓋板的約束力是截然相反的兩個(gè)力，導(dǎo)致T形蓋板剛度比Z形蓋板的剛度強(qiáng)。

當(dāng)跨度大于5米，Z和T形狀蓋板的自振頻率都會(huì)降低，并且保持在低于100Hz，當(dāng)蓋板自振頻率要低于100Hz時(shí)，在豎向地震以及諧振生成的附加荷載影響下，蓋板的豎向位移和內(nèi)部作用力都會(huì)快速增長(zhǎng)，使防護(hù)輻射處在惡劣環(huán)境中。在核化工廠內(nèi)，部分檢修設(shè)備會(huì)有離心振動(dòng)產(chǎn)生，同時(shí)風(fēng)機(jī)等振動(dòng)頻率高的離心設(shè)施也會(huì)布局在設(shè)備室外，通常離心式風(fēng)機(jī)頻率一般是在15到150Hz徘徊，假若設(shè)備室同離心式設(shè)備間距離較近，振動(dòng)頻率高的設(shè)備會(huì)把顯著的諧振激勵(lì)傳遞給大跨度蓋板。

旋轉(zhuǎn)型機(jī)器的干擾R的公式為：

在公式中最大干擾力為，單位為N；干擾源頻率為，單位為rad/s；當(dāng)量偏心距為，單位為mm；設(shè)備旋轉(zhuǎn)零件的總重量為，單位為kg；機(jī)器旋轉(zhuǎn)速度為，單位為。

以上述公式為據(jù)，諧振激勵(lì)是由每分鐘3000轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)所形成的干擾力輸入到模型中，可以得出，三米以上的蓋板受到震動(dòng)敏感度較強(qiáng)，在圖1中，是5米T形蓋板從其支撐處點(diǎn)-自振頻率的曲線，在這個(gè)圖中得出，每分3000轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)50Hz的震動(dòng)頻率時(shí)，位移4毫米，當(dāng)風(fēng)機(jī)在每分鐘3000轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，蓋板移動(dòng)不利于防護(hù)輻射工作。故此，如果在設(shè)備的影響區(qū)間內(nèi)（6米到12米之內(nèi)）布置蓋板，就必須對(duì)設(shè)備做好隔震消振措施。假若無(wú)法符合要求，應(yīng)當(dāng)在蓋板孔和蓋板間設(shè)定方便開(kāi)啟的安全連接，確保約束增加，從而使蓋板受到共振的影響力降低。

（2）地震分析。Z形和T形蓋板受到豎向地震的影響會(huì)有產(chǎn)生相應(yīng)的位移。如果T形蓋板跨度在4米之內(nèi)，它的位移值遠(yuǎn)遠(yuǎn)在自振頻率的高頻段數(shù)值之外，并且有較大的數(shù)值。假若蓋板跨度在3米，在反應(yīng)譜激勵(lì)下可以最大移動(dòng)20毫米以上，不過(guò)200Hz之內(nèi)可以忽略其振動(dòng)，因?yàn)楦哳l段中只有極小的地震力，我們可以說(shuō)T形蓋板在安全范圍內(nèi)。假若跨度要在4米之外時(shí)，因?yàn)楸旧斫档土俗哉耦l率，較低頻率位置極有可能有較大位移發(fā)生；針對(duì)跨度在5米的蓋板，頻率在50Hz時(shí)就已經(jīng)有3毫米的位移，T形蓋板處在防護(hù)輻射十分不利的狀態(tài)。

之于Z形蓋板而言，在與T形蓋板有一樣的跨度時(shí)，自振頻率比相同重量的T形蓋板小或者相同，也就是說(shuō)Z形蓋板產(chǎn)生振動(dòng)比T形蓋板更為容易。超過(guò)三米跨度的Z蓋板即便是頻率較小時(shí)，豎向位移依然較大。在50Hz時(shí)蓋板跨度在3米時(shí)，就已經(jīng)有了2毫米的豎向位移，而當(dāng)頻率大于200Hz時(shí)豎向位移就會(huì)快速加大，當(dāng)頻率達(dá)到300Hz時(shí)最大位移可達(dá)16毫米。

3 設(shè)計(jì)施工建議

T蓋板在豎向荷載影響下較為勻?qū)嵉姆植紤?yīng)力，同時(shí)支承處僅有極小的應(yīng)力。當(dāng)蓋板有三米的跨度時(shí)，它的分階支承位置第一主應(yīng)力是0.11Mpa的壓力。故此，只要把配筋構(gòu)筑在分階支承位置就行。然而Z蓋板的局部應(yīng)力有較大值，在豎向負(fù)載影響下蓋板應(yīng)力最大值可達(dá)到1.1Mpa，與砼的抵抗拉力差不多。如果對(duì)檢修、地震、豎向負(fù)荷之和進(jìn)行考慮，Z蓋板分階支承位置所產(chǎn)生的拉應(yīng)力勢(shì)必會(huì)大于砼的抵抗拉力的強(qiáng)度，所以必須把受力鋼筋安置在此處。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，核化工廠設(shè)備室企口形蓋板通常有不小于100Hz的自振頻率，剛性良好，蓋板跨度增大其自振頻率會(huì)迅速降低，當(dāng)蓋板有較大跨度時(shí)，蓋板勢(shì)必會(huì)受到地震和設(shè)備振動(dòng)較大影響。這就需要對(duì)Z形和T形蓋板做好消振和減振措施，并盡可能使蓋板孔與振動(dòng)頻率高的設(shè)備隔開(kāi)一定的距離。

參考文獻(xiàn)：

[1]張景寓，尹曉展.核化工廠房設(shè)備室企口形蓋板受力分析及設(shè)計(jì)建議[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2013（08）：1468-1472.