核电站电缆桥架力学计算及工程应用

李贺，党俊杰，高齐乐，李文默

核电站电缆桥架力学计算及工程应用

李贺1，党俊杰1，高齐乐1，李文默2

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.中国电能成套设备有限公司，北京 100080）

研究电缆桥架的受力规律。采用通用有限元程序ANSYS对电缆桥架进行整体建模与力学分析，探讨S2型支架、S4型支架以及梯形支架的抗震能力，研究不同方钢长度和不同托臂层数对支架抗震能力的影响，并探讨三种截面形式的托臂承载能力。梯形支架比其他两种支架抗震能力强。增加方钢长度和托臂层数会提高支架的受力，降低其抗震能力。双层异形钢截面的托臂更能有效地提高其承载能力。为以后核电站电缆桥架的自主设计和改进打下了基础。

电缆桥架；有限元；抗震分析

核电厂房存在着大量的能动设备（从控制机到泵、阀等），而地震情况下电缆桥架的破坏，将可能导致那些需要在地震情况下执行安全功能的能动设备无法执行，因此在地震情况下电缆桥架的安全性是保证整个核电站安全不可忽视的环节。文中以应用于福清5、6号工程中的电缆桥架为背景，探讨了这种结构的建模和计算方法，研究了方钢长度和托臂层数对支架受力的影响规律，所得结论具有普遍性，可以应用于其他类似结构支架的分析设计工作中。

典型电缆桥架是由很多个支架连接起来构成的，因此在地震作用下，要保证电缆功能，就要求电缆桥架保证其完整性能。电缆桥架的种类较多（如图1所示）[1]：托臂支架（S1）、典型支吊架（S2-1—S2-5）、异型支架（S3—S8）、梯形支架（R1—R3）、次托盘支架（S10—S17）。在不同的厂房布置下，选取不同的电缆桥架，在核电站中使用最多的就是S2型电缆桥架，其主要特点就是结构简单，易于安装。

图1 电缆桥架结构

1 结构综述

1.1 评定规范

典型电缆桥架由方钢、托臂、托盘、连接螺栓组成。电缆放在托盘中固定，托盘与托臂、托臂与方钢之间都是通过螺栓连接起来的，很多个支架连接起来构成了电缆桥架，因此在地震作用下，要保证电缆功能，就要求电缆桥架保证其完整性能。支架的方刚和托臂所用材料均为Q235-B，材料在常温时的参数见表1。

表1 支架材料参数

按RCC-M规定[2]，对于无镗孔的均匀截面，在净截面上的拉伸应力极限为：

承受剪切力的那个截面上的剪切应力极限为：

轧制型钢相对于最小惯性力矩其轴线呈对称性，在最大惯性平面内承受载荷时，其端部纤维上的拉伸或压缩应力极限为：

受轴向压缩的梁截面压缩应力与梁结构的长细比/有关，当梁结构长细比小于c时，压缩应力极限为：

当梁结构长细比大于c时，压缩应力极限为：

当梁结构长细比大于120时，压缩应力极限为：

式中：a为最大许用压应力；为弹性模量；为有效长度系数；为无支承长度；为截面最小回转半径。

材料的许用应力见表2，其中0/A/B工况表示支架在正常/异常工况下/SL1地震载荷下的许用值，D级工况表示在SL2地震载荷下的许用值。

1.2 计算模型

计算时需考虑支架自重载荷（DW）、电缆载荷（P）、地震载荷（SL-1/ SL-2）。自重载荷包括方刚、托臂和托盘的质量。电缆桥架的电缆载荷为75 kg/m，考虑到托盘以及盖板的质量，取线载荷为87.5 kg/m。采用核电站中某一厂房一定标高下地震载荷，见表3（水平两方向为包络谱）。

使用ANSYS 15.0有限元分析软件建立电缆桥架的整体有限元模型。选择梁单元BEAM181进行网格划分，节点数量为2652。支架顶端进行全约束，为了更好地独立分析支架中方钢和托臂，便于提取托臂根部中心的载荷，方钢和托臂采用相应自由度耦合的方式模拟螺栓连接[3]。电缆等的质量以等效质量形式施加到托盘上，对电缆桥架进行模态分析，采用BLOCK LANCZOS法提取结构模态。

表2 材料许用应力值

表3 地震反应谱

2 结果分析与比较

2.1 几种支架类型的比较

为考察不同形式的支架抗震能力，对应用较为广泛的S2型、S4型以及梯形支架进行力学分析，以单侧四层为例，选取某一厂房地震谱。对计算结果进行对比分析，包括D级工况下的拉压应力、剪切应力以及弯曲应力，见表4。

可以看出，电缆桥架承受的拉压应力和剪应力值相比许用值要小很多，主要承受弯曲应力。相比S2型支架，S4支架的弯曲应力减少了50%左右，而梯形支架减少了将近80%。在工程应用中，当S2型支架明显因为弯曲应力较大，不能满足规范时，可以通过上述分析比较判断是否能用S4型支架或者梯形支架代替以满足规范要求。

2.2 方钢长度和托臂层数对支架应力的影响

电缆桥架结构主要是由方钢和托臂组成，两者的结构对支架的应力均有着重要影响。以S2型支架为例，通过力学计算和结果比较，考察方钢长度和托臂层数对支架受力的影响。以单侧四层S2型支架为例，分别建立方钢长度为1、1.5、2、2.5、3、4 m的支架整体模型进行力学分析。为考察托臂层数对该支架谱分析的影响，分别建立2、5、8、10、15层的支架模型进行力学分析，计算结果如图3所示。

支架主要承受的是弯曲应力。从图3可以看出，随着方钢长度的增加，支架的弯曲应力明显增大。当方钢长度达到2.5 m时，0/A/B工况下弯曲应力接近许用值，D工况下的弯曲应力已超过许用值。方钢长度超过2.5 m时，弯曲应力增大很多。随着托臂层数的增加，电缆载荷也随之增大，弯曲应力增加幅度较大，当达到8层左右时，就已经达到许用值。

图2 有限元模型

表4 不同类型支架的受力

图3 方钢长度和托臂层数对弯曲应力的影响

2.3 托臂截面形式对支架应力的影响

电缆桥架的托臂与支撑方刚的焊接是主要的受力点之一，托臂截面形状分为三种：单层异形钢、双层异形钢和双层槽钢。焊缝应力强度的评定是通过提取方钢与托臂连接中心的载荷，并计算剪切应力和等效应力eq[4]。以单侧四层S2型支架为例，建立上述三种截面形状的托臂的电缆支架，提取方钢与托臂连接中心的载荷并计算剪切应力和等效应力，载荷大小见表5。

表5 方钢与托臂连接中心载荷

表6 焊缝截面有效参数

3 结论

核电站电缆桥架的抗震分析对于整个核电站地震情况下的安全有着不可忽视的作用。文中所总结出来的规律以及提出的一些判断方法实用性强。在实际工程应用中，通过比较分析可以据此简单地判断支架是否满足规范要求，减少了不必要的重复工作和大量的人力，提高了工作效率。通过研究计算分析所得的数据，更可为以后华龙一号核电站电缆桥架的自主设计和改进打下了基础。

[1] 中国核电工程有限公司. ACP1000核岛电缆桥架及典型支吊架标准图册[K]. 北京: 中国核电工程有限公司, 2016.

[2] RCC-M 2007, 压水堆核电机械设备设计和建造规范[S].

[3] 杨德生. 核电站用电缆桥架抗震性能研究[D]. 北京: 中国地震局工程力学研究所, 2003.

[4] GB 50017—2003, 钢结构设计规范[S].

[5] 王艳苹, 黄忠, 王元珠等. 反应谱分析方法的刚性模态修正计算和程序开发[J]. 核科学与工程, 2017, 37(S1): 404-409.

[6] 王国周, 瞿履谦. 钢结构原理与设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 1992: 17-88.

[7] 博弈创作室. APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2004.

[8] Regulatory Guide 1.61, Damping Values for Seismic Design of Nuclear Power Plants[S].

[9] GUPTA A K. Response Spectrum Method in Seismic Analysis and Design of Structures[M]. Florida: CRC Press, 1992.

[10] 余伟炜, 高柄军. ANSYS在机械与化工装备中的应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2007.

[11] 龚曙光. ANSYS工程应用实例解析[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.

Mechanical Calculation and Engineering Application of Cable Tray in Nuclear Power Plant

LI He1, DANG Jun-jie1, GAO Qi-le1, LI Wen-mo2

(1. China Nuclear Power Engineering Co, Ltd, Beijing 100840, China; 2. SPIC China Power Complete Equipment Co, Ltd, Beijing 100080, China)

To research on the stress rules of the cable tray.Overall modeling and mechanical analysis of cable tray were carried out with the ANSYS finite element method. The seismic capacity of the cable tray for S2, S4 and trapezoid was discussed. Influences of different length of square steel and different number of bracket arm on the seismic capacity were discussed. Furthermore, the carrying capacity for bracket arm of three different cross-sections were discussed.The seismic capacity of the trapezoid cable tray was stronger than other two kinds of trays. If the length of square steel and number of bracket arm were increased, the force of the cable tray would be raised and it’s seismic capacity would be reduced. Compared with the other two forms of the bracket arms the bracket arm of the profiled steel cross-section had more effect on the carrying capacity of the try.It lays a foundation for the self-design and improvement of cable tray in nuclear power plant.

cable tray; finite element; seismic analysis

10.7643/ issn.1672-9242.2019.02.006

TM623

A

1672-9242(2019)02-0027-05

2018-11-23；

2018-12-11

李贺（1989—），男，北京人，硕士，工程师，主要研究方向为机械工程。