主贮油罐地脚螺栓有限元受力分析

李智强 朱灵盛

(中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314000)

1 模型简介以及技术参数选取

1.1 模型简介

柴油机主贮油罐是由锚固板通过螺栓固定在地面基础上，属于典型的螺栓加固项目。ANSYS软件是工程应用分析的有效工具，它在静力学和动力学上也有着很大的作用[1]，可用于工程、机械、声学等许多领域。软件由前处理、求解计算和后处理3个部分组成[2]。有限元分析数据与理论计算数据相比，误差为2%[3]，有限元分析可以满足复杂受力工程计算所需要的具有较高精度的结果。

柴油机主贮油罐为卧式容器，由底板、筋板及垫板构成容器的支座，容器共有三个支座，柴油机容器通过与支座垫板焊接固定在支座上，支座由地脚螺栓和加固板压紧固定在基础地面上，柴油机主贮油罐支座本身由M56地脚螺栓固定，加固板由48套M80的地脚螺栓和12块加固板固定。柴油机主贮油罐设备整体有限元模型采用壳单元建立，以等效密度法形式将柴油质量均布在容器壳模型上。加固结构有限元模型包括加固板、支座，用来计算结构在事故工况下的应力，采用实体单元建立，支座底板与加固件之间采用接触单元模拟接触。

1.2 技术参数的选取

1.2.1设备承受的荷载

1)结构自重。

计算总质量约为316.85 t，其中单个加固板1和加固板2总重为4 100.4 kg，共6组；柴油机主贮油罐含柴油物料总重为292.25 t；

2)地震载荷。

地震载荷考虑SSE级地震。设备的安装基础标高为-8.6 m。SSE级地震响应谱取秦山核电厂二期工程柴油机厂房-7.6 m标高楼层谱，结构阻尼比取4%，地面峰值加速度系数是OBE的2倍，即1.5g。

1.2.2材料参数

加固板的材料为16MnD，地脚螺栓的材料为42CrMoE，支座的材料为Q235-B。

1.2.3承载力计算

1)前提条件。

基材为混凝土，混凝土强度取为C30，采用RE500-SD植筋胶种植，M80螺杆d=80 mm,材料为8.8级，钢材屈服强度标准值为fyk=640 MPa，抗拉强度标准值fcu,k=800 MPa，hef=1 100 mm，应力截面面积为AS=4 344 mm2,基材厚度h=1 700 mm，含二次灌浆层厚度300 mm。

电厂汽轮机在检修维护中涉及了较多的作业内容，其中主要的几类检修维护内容为：叶轮的检修及维护、汽轮机异响，振动现象的检修及维护、汽轮机凝汽器的检修及维护、汽轮机油系统的检修及维护、汽轮机大轴的检修及维护。

2)承载力计算。

a.受拉承载力计算。

①钢材受拉承载力的设计值。

根据JGJ 145—2013混凝土结构后锚固技术规程，锚栓钢材破坏受拉承载力设计值。NRk,s=(640×4 344/1.2)/1 000=2 313.8 kN。

②混凝土椎体破坏受拉承载力设计值。

③化学螺栓混合破坏的承载力设计值。

根据JGJ 145—2013混凝土结构后锚固技术规程，混化学螺栓拔出破坏的承载力设计值NRd,p=1 657.92/1.8=921.07 kN。

根据JGJ 145—2013混凝土结构后锚固技术规程，混凝土劈裂破坏承载力设计值NRd,sp=0.842 1×1 958.28/1.8=916.12 kN。

综合①,②,③,④中的最小值，M80螺栓的受拉承载力为NRd=916.12 kN，为混凝土劈裂破坏控制。

b.受剪承载力计算。

①钢材受剪破坏承载力VRd,s=(0.5×640×4 344/1.2)/1 000=1 158.4 kN。

②混凝土剪撬破坏承载力设计值VRd,Cp=3 315.84/1.5=2 210.56 kN。

综合①，②最小值，螺栓受剪承载力VRd=1 154.8 kN，为钢材破坏控制。

2 模型的计算和分析

本模型选取四块板作为一个整体进行分析，并对每个螺栓孔位进行编号，以方便选取和分辨受力，模型的平面图详见图1。本文其他孔位之间的距离为定值，分析222，18，189，70这4组孔位Y方向边距的距离变化引起的受力变化。

2.1 第一种工况

第一种工况下，205号孔位与239号孔位之间的距离为400 mm，239号孔位～222号孔位间距为400 mm，22号孔位～256号孔位间距为445 mm，222号孔位的Y方向边距为150 mm ，222号孔位的X方向边距为200 mm；52号孔位～18号孔位距离为465 mm，18号孔位～1号孔位距离为270 mm，1号孔位～35号孔位间距为400 mm，18号孔位的Y方向边距为270 mm，X方向边距为170 mm；138号孔位～189号孔位为400 mm,189号孔位～172号孔位为400 mm,172号孔位～155号孔位为400 mm，189号孔位的Y方向边距为200 mm，89号孔位的X方向边距为200 mm；87号孔位～70号孔位为400 mm,70号孔位～104号孔位为400 mm,104号孔位～121号孔位间距为470 mm,70号孔位的Y方向边距为180 mm，X方向边距为220 mm。

根据螺栓孔位布置图，通过建立模型并计算，可得到螺栓受力数值。

2.2 第二种工况

第二种工况下，孔位之间的间距和X方向的边距不变，222号孔位的Y方向边距为180 mm，18号孔位的Y方向边距为305 mm；189号孔位的Y方向边距为230 mm， 70号孔位的Y方向边距为210 mm。

根据螺栓孔位布置图，通过建立模型并计算，可得到螺栓受力数值。

2.3 受力变化分析

当222，18，189，70相对移动之后，经对比受力数据可知：

1)右侧的加固板1，18，35，52，70，87，104，121孔位的受力普遍下降，左侧的加固板138，155，172，189，205，222，239，256孔位的受力普遍上升；

2)第一种工况中，剪力限定值最大为0.44，轴向力限定值最大为0.44，组合系数最大为0.58；

3)第二种工况中，剪力限定值最大为0.43，轴向力限定值最大为0.42，组合系数最大为0.55；

4)第一种工况下，受力数值减小最大的是205号孔位的轴向力，绝对值为29 550 N；减小比例最大的是70号孔位的剪力，比例为0.308；受力数值减小最小的是1号孔位的轴向力，绝对值为480 N；减小比例最小的是104号孔位的轴向力，比例为0.003；

5)第二种工况下，受力数值增大最大的是239号孔位的剪力，绝对值为20 785；增大比例最大的是239号孔位的剪力，比例为0.564；受力数值增大最小的是222号孔位的轴向力，绝对值为610；增大比例最小的是172号孔位的剪力，比例为0.007。

3 结语

1)两种工况下，受力均能满足螺栓承载力的要求；

2)右侧的加固板1，18，35，52，70，87，104，121孔位的受力普遍下降，左侧的加固板138，155，172，189，205，222，239，256孔位的受力普遍上升；

3)在相同的工况下，适当的增加最外侧螺栓的Y方向边距有助于减小最大比值系数，增强安全稳定性。