核電站支吊架強度核算問題研究

□劉宏林

隨著我國核電事業的迅速發展以及一些重大項目的建設施工的開展，日本福島核事故引發的危機，對核電站管道支吊架的設計和計算提出了更高的要求。核電站管道支吊架數量巨大，為了保證管道支吊架的工作可靠性，美國ASME和法國RCCM法規明確規定必須對管道支吊架設計進行應力分析，一般的分析方法有：計算分析法、實驗應力分析法和額定荷載法，計算分析法最為常用。本文對核電站支吊架將核電站管道支吊架計具有指導性意義，并提供設計依據。

一、支吊架強度核算現狀

傳統的支吊架設計中，標準支吊架的設計是根據預先評估過的《核電站標準支吊架手冊》進行的，該設計手冊編制和擴充需要大量的預先計算和評定，但在工程實踐中，經常會碰到標準支吊架形式可以滿足，但布置空間和條件不滿足，或者支吊架結構形式比較復雜、受力分析比較困難的還需向力學專業提資，過程十分繁瑣，計算周期長。

二、支吊架受力核算選型

(一)支吊架受力形式選型。核電站支吊架主要由根部、支吊架梁、連接件、管道管卡四大部分組成，連接件和管道管卡可以根據管道支吊架的功能和受力，查詢已經鑒定合格的《核電站標準支吊架手冊》選取，只有根部、支吊架梁需要核算受力是否滿足要求。為了便于受力分析，根據壓水堆核電站支吊架形式的匯總，可以把各種不同類型的支吊架簡化分為幾種常用的支吊架形式，例如單懸臂、雙懸臂(L型)、簡支梁、門型梁等，其他復雜類型的支吊架可以是以上兩類或兩類以上支架梁形式的組合，利用已有單懸臂結構構件的受力形式進行兩重或多重組合，可以得到幾種常用支吊架材料(槽鋼、工字鋼、圓鋼)組裝件的拉應力和剪應力經驗公式(這里不做詳細介紹)，避免混淆各個方向的受力和力矩以及截面系數和剪切面積值，也可以用EXCEL文件建立對應的函數公式建立支架核算程序，方便在支吊架強度核算時套用，提高核算速度。

單懸臂結構構件是眾多支吊架結構形式的基礎，通過分析單向受力的單懸臂結構形式的強度核算，尤其是開口類型鋼結構構件，闡述大家在利用公式法，進行手工支吊架核算過程中容易忽略而導致計算結果錯誤的重要要素。

(二)型鋼選型。槽鋼是最常見的開口薄壁桿件，槽鋼開口水平布置時，具有縱向對稱面，當受力不是作用在對稱面內時，由于開口薄壁桿件的抗扭剛度較小，容易發生變形，當受力通過橫截面內的彎曲中心時，桿件只有彎曲而無扭轉變形，若受力不通過槽鋼的彎曲中心，除產生彎曲變形外，還將發生扭轉變形，產生扭轉切應力。查表可知槽10形心X軸坐標為15.2mm。在工程實際設計過程中，受力點一般選擇在槽鋼形心至長邊邊緣這段距離內，不通過彎曲中心，槽鋼不但會彎曲變形，還將發生扭轉變形，產生扭轉切應力。故本次重點研究支吊架結構構件為槽鋼的強度核算。

三、支吊架強度核算

支吊架強度計算主要是對支吊架結構中最弱點所受到拉(壓)應力和剪應力的驗證，一般有公式法和軟件計算分析兩種方法，而采用以上兩種的方法的基礎都是基于梁理論。

(一)公式法。手工支吊架強度計算公式采用材料力學中的正應力公式、剪應力公式、彎曲應力和扭轉應力公式來計算支吊架梁的各種應力，這里不再詳細介紹。

(二)軟件強度計算。核電站非標準支吊架的力學分析大多采用有限元方法并借助有限元程序進行。對于系統管道支吊架，通常采用梁單元(Beam189)建立有限元簡化模型，進行靜力和動力計算，Beam189單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構，該單元基于鐵木辛哥梁結構理論，并考慮了扭轉產生變形的影響，但只有適度的粗梁可以分析，推薦長細比要大于25。

軟件分析采用ANSYS中的beaml89梁單元進行有限元建模，槽鋼根部受力點選擇在槽鋼形心點附近。

(三)強度核算數據分析。以槽10為例，槽鋼開口水平布置，受力點選擇在槽鋼形心附近，分析兩種工況：

A.當槽鋼長度L取400mm定值時，受力F為變值；

B.當受力F為定值時，長度滿足長細比要求，且為變值。

根據材料力學相應的公式以及ANSYS有限元計算分析，分別得到不同工況槽鋼根部的彎曲應力和剪應力值，以及兩種不同分析方法分析結果的差值。通過計算結果比對可以看出，當受力不通過彎曲中心時，不但發生了彎曲變形，還發生扭轉變形，公式法計算得出的剪應力與ANSYS有限元分析計算得出的結果差距很大，而兩種不同分析方法得出的彎曲應力差值不大，基本可以忽略。

(四)應力比值系數。通過以上分析可以看出，公式法在強度核算時，沒有考慮由于扭轉變形產生的扭轉剪應力，實際計算的剪應力偏小很多。通過有限元建模分析得到，當槽鋼開口水平布置時，由于實際扭轉變形產生了剪應力，現將兩種不同分析得出的結果進行比值分析，看是否存在某種比例關系。

通過計算結果比對可以看出，ANSYS有限元分析計算得出的結果考慮了扭轉剪應力，約是公式法結果的7.42倍，且與支吊架結構構件的長度無關。而扭轉變形產生的彎曲應力變化不大，綜合彎曲應力只是公式法的1.02倍，可以忽略。

利用以上同樣的方法，可以得到其它幾種常用槽鋼開口水平布置、滿足長細比要求公式法的附加剪應力系數如表1所示。

表1 槽鋼水平布置公式法剪應力附加系數值

從表1可以看出，隨著槽鋼型號的增大，剪應力附加系數值也在不斷增大，兩者之間存在某種函數關系，曲線圖如圖1所示。

圖1 槽鋼剪應力附加系數圖

四、結論與建議

本文通過對開口型單懸臂結構構件強度核算研究，闡述在核電站支吊架強度核算過程中,大家容易混淆或者忽視而導致計算結果有誤的幾個重要問題：第一，根據材料力學公式，推導出強度核算公式，避免在計算過程中，混淆不同方向上的截面系數、剪切面積值、受力及力矩值，也可以EXCEL文件制作一個小程序，方便以后核算使用。第二，支吊架結構構件選用開口薄壁構件，應滿足梁的長細比要求，但桿件受力不通過型鋼的彎曲中心時，考慮扭轉變形產生的扭轉切應力，將公式法得出的剪應力值應乘以一個附加系數。