基于時間歷程響應的核電站環吊抗震分析*

李瑞斌

(太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024)

0 引言

核電站環吊安裝于反應堆廠房上方的環形軌道上，服務于核電廠建造、運行、退役全生命周期中，主要功能是吊運蒸汽發生器、反應堆壓力容器、穩壓器、反應堆堆頂等重型設備，是核島內重要的起重設備。環吊在核電站中屬于核安全相關的Ⅰ類抗震設備[1]，環吊的安全可靠性能會對核電站反應堆廠房乃至整個核島的安全產生影響。依據核電相關標準的要求，環吊必須滿足規定的抗震性能參數，因此，抗震分析是環吊研發過程中最重要的內容之一[2]。

目前工程實際中結構抗震計算最普遍采用的方法是反應譜分析法。反應譜分析法是將結構、設備的固有頻率、振型等動態特性與已知的譜關聯起來，計算結構在該譜激勵載荷作用下的位移響應及應力響應等動力響應結果。反應譜法理論成熟、方便易用、計算快速，得到了廣泛的認可和應用，現階段在國內外的抗震規范標準中，是廣泛推薦采用的抗震計算方法[3]。反應譜法原理是將地震的動態特性與產品結構自身的動力屬性相結合，但是此方法依然把地震載荷作用的慣性力當作靜載荷來施加，且不能考慮結構的非線性影響，所以只能稱其為準動力理論。同時由于丟失了相位信息，產品結構在地震載荷作用下的最大響應值只能經過組合及疊加計算得到，而結構在振動過程中的性能響應變化情況不能實時得到，因此其不能反映出震動持續時間對結構破壞程度的影響情況。隨著核電技術的發展及要求的提高，譜分析法已較難滿足環吊設計要求[4]。

時程分析法是可以計算出結構承受隨時間變化載荷的動力學響應的一種方法，從理論上來說，其計算結果更加準確，更能反映結構真實載荷工況，可彌補地震反應譜分析法的不足之處[5]。

本文研究的某三代核電站環吊，設計時考慮水平地震載荷主要由大車車輪承受，起吊臨界載荷200 t以上，自身跨度、重量大幅增大，傳統的反應譜分析法無法計算出每個車輪在SSE地震過程中與軌道的碰撞狀態及承受地震水平力的情況，同時無法考慮摩擦阻尼、鋼絲繩受力等非線性影響，進而影響了確定環吊設計時需要的載荷及傳遞給安全殼廠房的受力等。因此針對反應譜分析方法的不足之處，有必要在核環吊設計校核時，對其在SSE地震過程中的承載性能進行時程分析研究。

1 地震時程分析

地震時程分析法是將結構的運動微分方程結合地震加速度時程數據輸入直接進行逐步積分求解的動力學分析方法。時程分析法在產品結構抗震計算中屬于一種十分重要的計算方法，通過時程分析可以計算確定出結構在隨時間變化的激勵載荷作用下的動態響應。該方法的動力學基本方程為：

(1)

由公式(1)可知，時程分析中可以考慮慣性力、阻尼力等結構本身或邊界中的非線性因素影響。目前從理論上講，時程分析法是結構地震響應計算中最為準確的方法，該方法較全面地考慮了地震的強度、地震的頻譜特性以及地震作用時間這三大因素，可對結構在地震整個過程中的響應進行計算，能夠計算出結構在地震過程中詳細的位移、應力等響應參數的變化情況。該方法目前的難點之一就是計算量龐大，對計算資源需求很高，而且抗震計算消耗時間很長，計算產生的結果數據也十分龐大。

從理論上講，時程分析法計算精度的高低與積分時間步長有直接的關系，一般來說，時間步長設置越小計算精度將越高，但是計算量、計算資源需求也會隨之明顯增加。結合相關文獻資料、工程需求及計算經驗，抗震計算時，一般可以根據下式來確定計算步長：

Δt=1/(20fmax).

(2)

其中：fmax為結構所有模態中對整體響應有貢獻的最高階模態頻率，即在結構整體模態分析中，模態參數系數達到90%以上時所對應的有貢獻的最高階頻率。

結合ANSYS程序中APDL語言，按抗震設計要求研究編寫對應的地震時程分析參數化計算命令流，對環吊進行SSE地震載荷作用下的時程分析，計算評估在SSE地震時程載荷激勵下環吊結構的位移響應、應力響應、輪壓動響應等參數，研究環吊結構隨著地震持續時間變化的響應情況，評估環吊抗震性能。

2 某核電站環吊SSE地震時程分析

本文研究對象是為我國第三代大型先進壓水堆核電站配套的大噸位、大跨度環吊，其結構如圖1所示。

圖1 環吊結構示意圖

由于采用了新的設計理念和特殊的結構特性，環吊抗震計算時需要考慮其與鋼制安全殼、承軌梁之間的耦合動態響應，因此整體抗震計算模型由環吊、鋼制安全殼等組合而成。鋼制安全殼結構參數由某核電設計院提供，根據計算要求，為了考慮環吊能承受較大地震載荷的作用，選取鋼制安全殼模型中接近環吊承軌面以上部分參與抗震計算。環吊主要包括大車橋架和主運行小車兩大部分，整體均屬于鋼制焊接結構。橋架主要是由主梁、端梁及附屬鋼結構等部件組成。其中，主梁采用偏軌箱形結構，運行小車沿主梁上蓋板安裝的鋼軌運行。運行小車采用剛性框架焊接。環吊的16個大車車輪與安全殼廠房中承軌梁環軌接觸。

建立抗震計算模型時，選用ANSYS中的Beam188和Beam4梁單元、Mass21集中質量單元等作為基本單元，根據環吊結構截面尺寸、位置、重量分布等建立的整體抗震計算模型如圖2所示。其中，大車車輪序號1～16，與鋼制安全殼簡化模型在相應高度位置進行連接。

圖2 環吊與鋼制安全殼耦合抗震計算模型

在鋼制安全殼模型某標高位置節點施加固定約束，環吊橋架16個大車車輪節點均通過非線性彈簧單元與鋼制安全殼模型相連，模擬起吊鋼絲繩的Link180單元參數設定為只受拉力、不受壓力。計算載荷工況為安全停堆地震(SSE)作用下，按照運行小車與橋架相對位置(小車位于跨中、跨端)、空載與最大危險載荷(225 t)、考慮制造偏差與否等實際因素進行組合。通過對所有工況組合抗震計算結果進行分析對比，本文選出了最為危險的8種地震工況組合，如表1所示。

表1 載荷工況組合

抗震計算時作為輸入的SSE地震載荷是某一特定場地條件下地震持續時間20 s左右的地震加速度時程數據(該數據由國內某核電設計院提供)，如圖3所示。將地震加速度時程數據中X、Y、Z三個方向數值作為地震載荷激勵同時施加進行計算。

圖3 地震加速度時程數據

3 地震時程分析結果

根據要求，環吊地震時程分析結果需要考慮環吊自重載荷的疊加組合影響，因此在編寫ANSYS APDL時程計算命令流時，將SSE地震加速度時程數據與重力加速度進行了疊加組合。

3.1 位移時程響應

環吊橋架在SSE地震載荷及自重載荷組合下的最大位移響應值見表2。

表2 橋架最大位移響應值 mm

由表2中位移響應結果可知：在安全停堆地震(SSE)各工況組合下，環吊橋架主梁的水平X向動態位移響應最大為32.37 mm、水平Y向(沿大車運行方向)位移響應最大值為125.28 mm、豎直方向(Z向)的位移響應最大值為42.52 mm，出現在主梁(含電氣部件)的蓋板中部位置；環吊橋架端梁的水平X向動態位移響應最大值為27.54 mm、水平Y向(沿大車運行方向)位移響應最大值為130.52 mm、豎直(Z向)的位移響應最大值為3.20 mm，發生在端梁下蓋板中間位置。橋架Y向位移較大原因是地震載荷作用下，環吊沿運行方向的動態滑移引起的。

環吊在0 s～20.4 s SSE地震載荷作用下的主梁豎直Z向動態位移響應變化如圖4所示。通過對計算結果進一步分析可知，當運行小車在橋架跨中，橋架方向為90°，吊裝臨界載荷在上極限位置時，地震載荷持續時間到8.20 s時，環吊主梁豎直Z方向的位移響應出現最大值42.52 mm。同理，可在時程分析后處理中對環吊各部件在地震過程中的變化情況及峰值進行分析研究。

圖4 SSE地震工況時主梁豎直Z向位移響應曲線

3.2 應力時程響應

對環吊在安全停堆地震(SSE)各工況組合下分別進行地震時程分析，環吊主要部件最大應力值見表3。

表3 環吊主要部件最大等效應力值

由表3中環吊應力響應計算結果可知，在安全停堆地震(SSE)各工況組合下，環吊最大等效應力為125.74 MPa，出現在主梁中部位置。通過對時程計算結果進一步分析可知，當運行小車在橋架跨中，橋架方向為90°，吊裝臨界載荷在上極限位置時，地震載荷持續時間到7.51 s時，環吊主梁結構的最大等效應力響應值出現最大為125.74 MPa，如圖5所示。參照環吊設計規格書中要求，環吊在SSE地震工況時的設計許用應力小于其材料的屈服強度σs=335 MPa，因此，環吊結構最大應力響應小于設計許用值，滿足設計要求。

圖5 地震持續時間為7.51 s時環吊橋架等效應力云圖

3.3 大車輪壓響應

環吊在地震載荷(SSE)多種工況下最大徑向輪壓FRmax、最大切向輪壓FTmax、最大豎直輪壓FZmax詳見表4。由表4中計算結果可知：在地震時程分析的多種地震載荷工況下，橋架大車單輪水平最大徑向輪壓峰值為1 811.32 kN；驅動輪單輪水平最大切向輪壓峰值為1 190.47 kN；單輪最大豎直輪壓峰值為1 169.55 kN，方向豎直向下。

表4 SSE地震工況下(時程)環吊大車輪壓響應

地震時程分析結果中的大車、小車輪壓響應值將作為設計師在設計校核車輪、連接軸、軌道、連接螺栓等環吊關鍵部件時需要用到的極限載荷接口數據，確保其滿足極限工況下的設計要求；同時作為接口數據提供給用戶，作為設計校核反應堆廠房結構、牛腿、承軌梁等核島關鍵部件的關鍵數據。

環吊序號為10的大車車輪水平徑向輪壓響應在SSE地震過程中的變化情況如圖6所示。

圖6 車輪10徑向輪壓在SSE地震過程中變化曲線

環吊16個大車車輪輪緣與環軌在SSE地震中的碰撞情況如圖7所示。圖7中，橫坐標為地震持續時間；縱坐標為模擬接觸單元的狀態參數，其中數值1表示車輪的輪緣與環軌產生接觸碰撞，數值3表示車輪輪緣與環軌沒有產生接觸，是相互分離開的。通過對所有大車車輪與環軌的接觸碰撞情況進行列表分析可知，在SSE地震整個過程中，環吊大車車輪會出現當一部分車輪承受地震水平載荷時另一部分車輪不承受地震水平載荷的情況，此項分析對環吊在地震反應譜分析中的邊界條件設置有一定的指導意義。

圖7 SSE地震過程中車輪輪緣與環軌碰撞情況

4 結語

本文結合有限元分析程序ANSYS，針對反應譜分析法的不足，對某三代核電站環吊進行了SSE地震時程分析。通過計算得到在地震發生過程中環吊整體及局部受力、變形狀態以及車輪輪緣與軌道碰撞情況等參數隨地震持續時間變化的情況。

由地震時程分析結果可知，當環吊的部分大車車輪水平承載達到最大響應值時，會出現另一部分車輪不承受水平力的情況，即并不是所有車輪會同時承受地震水平載荷，同時各車輪響應峰值也不都是在同一地震時刻出現。若采用反應譜分析法，可能會出現邊界條件與實際情況不符、低估環吊受力或者出現環吊無法滿足設計要求的情況，進而影響核電安全殼廠房的結構設計。

地震時程分析法可以考慮起吊鋼絲繩、阻尼緩沖器等非線性情況影響，從而更準確地計算出環吊在地震極限工況下承受的載荷以及傳導至核島安全殼廠房的受力。因此，在環吊設計校核時，特別是對于新一代核電站中運行的大噸位環吊，采用更加接近真實情況、計算精度更高的地震時程分析法進行設計校核是非常必要的。