聯合泵房上部鋼結構在極端環境荷載作用下的仿真分析

摘 要：聯合泵房上部鋼結構為單層框排架體系，屬核安全I類物項。本文以田灣核電站56號機組聯合泵房上部鋼結構為算例，通過將極端環境荷載——現有廠址中加速度峰值最大的泵房頂部地震反應譜和風壓值最高的龍卷風作用依次施加于算例結構上，得到結構在這兩類極端環境荷載工況下的構件應力分布規律和各類構件應力裕度，為聯合泵房上部鋼結構的耐強震和龍卷風優化設計提供依據和保障。

關鍵詞：聯合泵房上部鋼結構；單層框排架；極限安全地震作用；龍卷風作用

1.工程概述

聯合泵房上部鋼結構多采用單層雙坡雙跨框排架結構體系，屬核安全I類物項。該鋼結構在結構構造方面的主要特點為：排架柱柱頂與屋面桁架剛接，柱腳為剛接柱腳；在結構縱向柱間支撐布置較密，多采用隔一布一的方式布置。本文以田灣核電站56號機組聯合泵房上部鋼結構為算例。該廠房為單層雙坡雙跨框排架結構，廠房橫向跨度為44.6m，縱向長度為62.19m，高度為19.5m，廠房三維構造見圖2.1。廠房每個橫向跨度內各布置1臺40t/5t橋式雙梁吊車，每臺吊車自重為51t。

極端環境荷載指可信但極少可能發生的環境荷載和作用，包括極限安全地震作用和龍卷風作用，為鋼結構廠房的最不利荷載工況。

2.模型及參數

2.1模型描述

本鋼結構采用三維有限元計算軟件ANSYS進行仿真分析，全部構件采用梁單元BEAM188模擬，吊車用集中質量單元MASS21模擬。屋架、系桿、支撐與排架柱剛性連接，排架柱柱腳的邊界條件為剛接。廠房的三維模型見圖2.1。

圖2.1 聯合泵房上部鋼結構三維模型圖

2.2材料參數和構件截面

鋼材材質為Q345B，密度7.85t/m3，彈性模量2.06×107kN/m2，泊松比0.3，抗拉抗壓強度325MPa，抗剪強度180MPa。各主要構件的截面型號見表2.2。

表2.2 鋼構件截面型號

2.3恒、活荷載

除結構自重外，屋面板、墻面板自重為0.7kN/m2，屋面活荷載值為0.5kN/m2。吊車最大輪壓為404kN。

2.4結構動力特性

對本鋼結構進行模態分析，得到結構的自振頻率及其對應的質量參與系數如表2.4所示。結構的振型圖見圖2.4。

表2.4 本鋼結構各階自振頻率和質量參與系數

a）X方向 b）Y方向

c）Z方向 d）扭轉方向

圖2.4 本鋼結構各方向的第1階振型圖

從圖表中可見，本鋼結構的各階自振頻率均大于1Hz，表明結構的整體剛度較大。結構的Y向平動剛度和扭轉剛度相對較小，振動幅度比較突出。結構在水平方向的質量參與系數集中在第1階振型，在豎直方向的質量參與系數比較離散。

3.極端環境荷載作用模擬

3.1極限安全地震作用模擬

現有廠址中，以漳州廠址聯合泵房的頂部地震反應譜峰值加速度為最大。鋼結構輸入反應譜采用聯合泵房標高-0.40m處樓層反應譜4%阻尼比譜值，見圖3.1，激振作用點在鋼結構柱腳處。極限安全地震震動（SL-2級）時泵房基底水平和豎向加速度峰值分別為0.30g和0.20g，傳到鋼結構柱腳處的X、Y、Z向0周期對應的加速度值分別為0.9818g、0.9945g和0.5658g，結構主頻對應的加速度值分別為1.9g、1.09g和1.7824g。

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X方向 Y方向 Z方向

圖3.1 聯合泵房標高-0.40m樓層反應譜（SL-2）

地震作用通過同時輸入3個方向的反應譜來模擬。在反應譜分析中，X、Y方向取300個振型，Z方向取1000個振型，保證每個方向的質量參與系數達到90%；地震三個方向中每個模態的響應通過CQC方法組合。三個方向的地震結果采用SRSS方法組合。

3.2龍卷風作用模擬

龍卷風荷載標準值效應Wt，由龍卷風風壓荷載Wtg、大氣壓迅速變化引起的壓差荷載Wtp和龍卷風引起的飛射物撞擊效應Wtm組成。

其中，μ_L為尺寸系數，μ_（Z ）為風荷載體型系數，wmax為龍卷風旋轉半徑處的最大風壓。

現有廠址中以田灣廠址所在的龍卷風風壓為最大，其參數為：最大風速wmax = 92.6m/s，最大壓降Wtp = 6.42kPa。龍卷風荷載效應采用的組合為Wt=Wtg + 0.5 Wtp + Wtm。作用在鋼結構上的龍卷風風壓和最大壓降荷載見圖3.2。

a）X向龍卷風風壓荷載（kN/m） b）Y向龍卷風風壓荷載（kN/m） c）龍卷風最大壓降荷載（kN/m）

圖3.2 作用在鋼結構上的龍卷風荷載

4.極端環境荷載控制下的構件應力分布

為反映結構真實的受荷狀態，采用自重荷載工況D和活荷載工況L分別與極限安全地震工況E2、龍卷風工況Wt組合，得到這兩種工況組合下的構件應力分布結果。

4.1極限安全地震工況控制下的內力與應力分布

本鋼結構在自重荷載、活荷載和極限安全地震工況組合下的構件應力分布云圖如圖4.1-1～2所示。

a）工況組合D+L+E2 b）工況組合D+L-E2

圖4.1-1 結構整體正應力σx（kPa）分布云圖

a）工況組合D+L+E2 b）工況組合D+L-E2

圖4.1-2 結構局部正應力極值σx-max（kPa）分布云圖

從極限安全地震作用控制下的結構應力分布圖可以看出，排架柱柱腳和柱頂、中列下柱支撐處出現了明顯的應力集中現象；拉、壓應力極值均產生在中列柱柱腳處，分別為227MPa和-242MPa，同時中列下柱支撐處也產生了較大的壓應力（約215MPa），其值小于鋼材屈服強度設計值且滿足構件穩定要求，表明結構極限安全地震作用控制下在仍處于彈性狀態。

4.2龍卷風工況控制下的內力與應力分布

本鋼結構在自重荷載、活荷載和龍卷風作用工況組合下的正應力分布云圖見圖4.2-1～2所示。

a）X向龍卷風 b）Y向龍卷風

圖4.2-1 結構整體正應力σx分布云圖（kPa）

a）X向龍卷風 b）Y向龍卷風

圖4.2-2 結構局部正應力極值σx-max （kPa）分布云圖

從龍卷風作用控制下的結構應力分布圖可以看出，中列柱柱腳、屋架端部和左側屋面系桿處出現了明顯的應力集中現象；拉、壓應力極值均產生在屋架弦桿端部，分別為225MPa和-219MPa，其值小于鋼材屈服強度設計值同時滿足構件穩定要求，表明結構在龍卷風作用控制下仍處于彈性狀態。

4.3極限安全地震及龍卷風作用控制下的構件應力裕度

表4.3-1和4.3-2分別列出了本鋼結構各類構件在極限安全地震作用和龍卷風作用控制下的正應力極值和相應的應力裕度。

表4.3-1 極限安全地震作用控制下鋼結構構件應力極值和裕度

表4.3-2 龍卷風作用控制下鋼結構構件應力極值和裕度

從各構件的正應力極值和應力裕度表可以看出，在極限安全地震作用控制下下柱的強度裕度最低，下柱支撐的穩定裕度最低，其余構件的強度和穩定裕度大于100%；下柱、牛腿、柱間系桿和柱間支撐的應力設計最大值由極限安全地震作用控制。在龍卷風作用控制下屋架的應力裕度和穩定裕度最低，除屋架、上柱和下柱外其余構件的強度和穩定裕度大于100%；上柱、屋架、屋面檁條和屋面支撐的應力設計最大值由龍卷風作用控制。

5.結論

綜上所述，聯合泵房上部鋼結構采用雙跨雙坡框排架體系時，結構整體剛度比較大，通過合理的構件設計能使結構具有抵抗現有廠址中最強地震作用和最強龍卷風作用的能力。本鋼結構的耐震能力主要取決于中柱下柱和下柱支撐的強度和穩定承載力，耐龍卷風能力主要取決于屋架端部弦桿的強度承載力。在以后的聯合泵房上部鋼結構設計中，應根據廠房所在廠址地震加速度和龍卷風風壓的大小來靈活調整中柱下柱、下柱支撐和屋架端部弦桿的截面型號，使結構在具有抵抗極端環境荷載作用的同時實現設計優化。

（本文作者單位為：中國核電工程有限公司 北京 100084）