浅析核1级部件中单角钢构件线性支承的计算方法

丛高伟　翟立宏

摘 要：对核1级部件中单角钢线性支承的计算方法进行分析、研究，为采用类似结构的线性支承的计算提供了参考。

关键词：核1级部件；单角钢；线性支承；计算

前言

线性支承在容器设备中也叫腿式支座，它的计算属于钢结构设计的范畴，因此压力容器设计规范里不做讨论。国内外大多数的压力容器规范只是提供腿式支座设计的指导意见，而它们真正需要处理的是与腿式支座相连的压力容器的应力评定，或者只给出底板等部件的设计评定，中国标准《容器支座》（JB/T 4712.1～4712.4）中虽给出了详细的腿式支座的计算方法，但是不适用于核1级支承。关于核1级支承，在RCC-M第I册H分卷[1]和ASME规范III卷NF分卷[2]有专门的介绍，两个规范的计算方法较类似。文章通过建立一个采用单角钢线性支承的核1级设备的模型，对核1级设备单角钢线性支承件按照ASME规范第III卷NF分卷设计的计算方法进行研究，为采用类似结构的线性支承件的计算提供了参考。

1 模型建立

1.1 结构

模型结构如图1所示，采用四个单角钢线性支承，90°周向均布；容器的设计制造满足ASME第III卷NB分卷（2010版）的要求，角钢线性支承的设计制造满足ASME 第III卷NF分卷（2010版）的要求。

1.2 参数

容器设计压力P；设计温度T；操作压力Pw；操作温度Tw；水压试验压力Pt；水压试验温度Tt；介质水；重量G（充满水）；角钢材料：SA-36M；角钢在设计温度的屈服强度Sy；角钢截面积A；角钢有效长度系数K；角钢高度l；角钢的最小惯性矩I；角钢数量n；角钢在设计温度的弹性模量E。

1.3 接管载荷及各工况载荷组合

各工况载荷组合见表1，接管载荷见图2。

A级地震载荷：X方向和Y方向分别为0.2g；B级地震载荷：X方向和Y方向分别为0.3g；本模型考虑免除高周疲劳。

2 计算研究

按照ASME规范NF分卷（2010版）进行支承的计算，首先需满足NF-3100的要求，由于本模型中为线性支承，所以还需满足NF-3300的相关要求，又由于本模型中支承为单角钢结构，故还应满足强制性附录NF-II的要求。对于线性支承件的计算，除了考虑压应力、拉应力、剪切应力、弯曲应力及组合应力外，还要考虑其稳定性，进行宽厚比和长细比的计算。对于单角钢线性支承件，在顶端受压时，应根据NF-II-3511和NF-II-3513通过对最大弯曲应力和压应力的控制，防止局部屈曲和侧向扭转屈的发生；同时，对关于几何轴和主轴的弯曲应根据NF-II-3520和NF-II-3530进行控制。综上，对于核1级部件中单角钢线性支承的计算应将NF-3000和强制性附录NF-II相结合，进行相关的计算，下面通过对所构建的模型在设计工况、A级工况、B级工况和水压试验工况进行角钢线性支承的计算。

2.1 设计工况

2.1.1 宽厚比计算

通过宽厚比的计算，来确定许用应力是否需乘以折减系数QS（见NF-3322.2（e））。根据NF3322.2（d），计算宽厚比：

因此许用应力无需乘以折减系数。

2.1.2 最大长细比计算

根据NF-3322.2（c），有效长度：Kl；

Kl/r=<200 满足要求。

2.1.3 角钢中的许用应力

角钢中的许用应力的确定应按照NF-3300，NF-II和表NF-3312.1（b）-1来确定。

2.1.3.1 许用压应力

因为F'b-1>0.66Sy，所以，角钢顶端许用弯曲应力：Fb-1=0.66Sy

则防止侧向扭转屈曲的最大压应力：Fa-2=0.66Sy

因为Fa-2>Fa-1，所以，许用压应力：Fa=Fa-1

2.1.3.2许用拉应力

根据NF-Ⅱ-3200，角钢中的许用拉应力应为：Ft=0.6Sy

2.1.3.3许用剪应力

根据NF-Ⅱ-3300，角钢中的许用剪应力应为：Fv=0.4Sy

2.1.3.4许用弯曲应力

在NF-Ⅱ-3513和NF-Ⅱ-3511中对角钢的弯曲应力都有限制，保守考虑，取其小者作为计算时的许用弯曲应力。

（1）根据NF-Ⅱ-3513，Fb-1=0.66Sy （见2.1.3.1（2））

（2）根据NF-Ⅱ-3511，b/t<171/ （b：受压角钢边的标准宽度.；t：角钢厚度；Fb-2=0.66Sy ），所以许用弯曲应力：Fb=0.66Sy

2.1.4 角钢中的组合应力的计算

（1）对于组合应力，根据NF-3322.1（e）（1），如公式（1），（2）和（3）都应满足要求：

fa-计算的轴向应力；fb-计算的弯曲应力；Fa-无弯矩情况下允许的轴向压应力；Fb-无轴向力情况下允许的弯曲应力；Cm=1-相互作用公式中弯曲项采用的系数；K=0.7（见图 NF-B-2400-1）-有效长度系数；E-弹性模量；lb-角钢在弯曲平面上无拉撑的实际长度；rb=r （见3.1.2）-控制回转半径；F'e-除以安全系数后的欧拉应力；在公式（1），（2）和（3）中，下标x和y表示适用于某一特定应力或设计性能的弯曲轴线。

保守考虑，同时为方便计算， 令Cmx=Cmy=1；fbx=fby=fb ；Fbx=Fby=Fb；Fex=Fey=Fe。在公式（2）和（3）中，因为Fa<0.6Sy，所以当公式（3）满足要求时，公式（2）也满足要求。

（2）对于NF-3322.1（e）（2）中的组合应力，因为在上述章节2.1.4（1）中，保守考虑，将ANSYS计算出的角钢各点的最大应力作为fb，当公式（2）满足要求时，NF-3322.1（e）（2）中要求的组合应力也满足要求。

2.1.5 各种应力的计算

利用有限元软件ANSYS通过建立整体模型对各种工况的角钢支承进行计算，在图1所示角钢的A、B、C点的三个水平面提取压缩、拉伸、弯曲和剪切应力（B点所在水平面为角钢变形最大的水平面），进而按照3.1.3和3.1.4进行各许用应力和组合应力的计算。

2.2 A级工况

根据表NF-3312.1（b）-1，A级工况的计算方法与设计工况类似，但是需对一次加二次应力进行判定，满足如下要求：P+Q≤2Sy 且P+Q≤Su

2.3 B级工况

（1）根据NF-3300，NF-Ⅱ和表NF-3312.1（b）-1，拉应力、剪切应力、压应力、弯曲应力在进行计算评定时，许用应力需乘以相应的应力限制系数1.33。如根据NF-Ⅱ-3200，拉应力应ft≤1.33×Ft=1.33×0.6Sy。

（2）对于剪切应力，除了根据NF-Ⅱ-3300满足fv≤1.33×Fv=1.33×0.4Sy还应根据表NF-3312.1（b）-1，满足剪切应力fv≤0.42 Su（Su为角钢在B级工况时的抗拉强度）。

（3）根据表NF-3312.1（b）-1，弯曲应力还应满足fb≤（2/3）Scr（Scr为临界屈曲应力）。

临界屈曲力：

临界屈曲应力：Scr=Fcr/A

A：角钢截面积；I=角钢最小的惯性矩；E=角钢B级工况时的弹性模量；l=角钢长度

（4）组合应力计算根据NF-3322.1（e）（1）及表NF-3312.1（b）-1，增加应力限制系数1.33，其余计算同设计工况。

（5）根据表NF-3312.1（b）-1，还需对一次加二次应力进行判定，满足如下要求：P+Q≤2Sy且P+Q≤Su

2.4 水压试验工况

根据表NF-3312.1（b）-1，水压试验工况的计算方法与B级工况类似，但不需对一次加二次应力进行判定，在此对水压试验工况计算方法不详述。

3 结束语

（1）核1级部件中单角钢构件线性支承的计算除考虑了常规的拉应力、弯曲应力、剪切应力的计算外，还应对其稳定性进行考虑：通过计算，避免角钢的局部屈曲和侧向扭转屈曲；对于角钢关于几何轴和主轴的弯曲，应进行考虑；应进行组合应力的校核计算；对于不同工况的应力评定，应满足NF-3312.1（b）-1的要求。（2）文章通过对核1级设备单角钢线性支承件按照ASME规范第III卷NF分卷设计的计算方法进行研究，为采用类似结构的线性支承件的计算提供了参考。

参考文献

[1]RCC-M第I册H分卷 2007.

[2]ASME规范 第III卷 NF分卷 2010.

[3]聂毓琴，孟广伟.材料力学（2版）[M].北京：机械工业出版社，2009.