基于时间历程响应的核电站环吊抗震分析*

李瑞斌

(太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024)

0 引言

核电站环吊安装于反应堆厂房上方的环形轨道上，服务于核电厂建造、运行、退役全生命周期中，主要功能是吊运蒸汽发生器、反应堆压力容器、稳压器、反应堆堆顶等重型设备，是核岛内重要的起重设备。环吊在核电站中属于核安全相关的Ⅰ类抗震设备[1]，环吊的安全可靠性能会对核电站反应堆厂房乃至整个核岛的安全产生影响。依据核电相关标准的要求，环吊必须满足规定的抗震性能参数，因此，抗震分析是环吊研发过程中最重要的内容之一[2]。

目前工程实际中结构抗震计算最普遍采用的方法是反应谱分析法。反应谱分析法是将结构、设备的固有频率、振型等动态特性与已知的谱关联起来，计算结构在该谱激励载荷作用下的位移响应及应力响应等动力响应结果。反应谱法理论成熟、方便易用、计算快速，得到了广泛的认可和应用，现阶段在国内外的抗震规范标准中，是广泛推荐采用的抗震计算方法[3]。反应谱法原理是将地震的动态特性与产品结构自身的动力属性相结合，但是此方法依然把地震载荷作用的惯性力当作静载荷来施加，且不能考虑结构的非线性影响，所以只能称其为准动力理论。同时由于丢失了相位信息，产品结构在地震载荷作用下的最大响应值只能经过组合及叠加计算得到，而结构在振动过程中的性能响应变化情况不能实时得到，因此其不能反映出震动持续时间对结构破坏程度的影响情况。随着核电技术的发展及要求的提高，谱分析法已较难满足环吊设计要求[4]。

时程分析法是可以计算出结构承受随时间变化载荷的动力学响应的一种方法，从理论上来说，其计算结果更加准确，更能反映结构真实载荷工况，可弥补地震反应谱分析法的不足之处[5]。

本文研究的某三代核电站环吊，设计时考虑水平地震载荷主要由大车车轮承受，起吊临界载荷200 t以上，自身跨度、重量大幅增大，传统的反应谱分析法无法计算出每个车轮在SSE地震过程中与轨道的碰撞状态及承受地震水平力的情况，同时无法考虑摩擦阻尼、钢丝绳受力等非线性影响，进而影响了确定环吊设计时需要的载荷及传递给安全壳厂房的受力等。因此针对反应谱分析方法的不足之处，有必要在核环吊设计校核时，对其在SSE地震过程中的承载性能进行时程分析研究。

1 地震时程分析

地震时程分析法是将结构的运动微分方程结合地震加速度时程数据输入直接进行逐步积分求解的动力学分析方法。时程分析法在产品结构抗震计算中属于一种十分重要的计算方法，通过时程分析可以计算确定出结构在随时间变化的激励载荷作用下的动态响应。该方法的动力学基本方程为：

(1)

由公式(1)可知，时程分析中可以考虑惯性力、阻尼力等结构本身或边界中的非线性因素影响。目前从理论上讲，时程分析法是结构地震响应计算中最为准确的方法，该方法较全面地考虑了地震的强度、地震的频谱特性以及地震作用时间这三大因素，可对结构在地震整个过程中的响应进行计算，能够计算出结构在地震过程中详细的位移、应力等响应参数的变化情况。该方法目前的难点之一就是计算量庞大，对计算资源需求很高，而且抗震计算消耗时间很长，计算产生的结果数据也十分庞大。

从理论上讲，时程分析法计算精度的高低与积分时间步长有直接的关系，一般来说，时间步长设置越小计算精度将越高，但是计算量、计算资源需求也会随之明显增加。结合相关文献资料、工程需求及计算经验，抗震计算时，一般可以根据下式来确定计算步长：

Δt=1/(20fmax).

(2)

其中：fmax为结构所有模态中对整体响应有贡献的最高阶模态频率，即在结构整体模态分析中，模态参数系数达到90%以上时所对应的有贡献的最高阶频率。

结合ANSYS程序中APDL语言，按抗震设计要求研究编写对应的地震时程分析参数化计算命令流，对环吊进行SSE地震载荷作用下的时程分析，计算评估在SSE地震时程载荷激励下环吊结构的位移响应、应力响应、轮压动响应等参数，研究环吊结构随着地震持续时间变化的响应情况，评估环吊抗震性能。

2 某核电站环吊SSE地震时程分析

本文研究对象是为我国第三代大型先进压水堆核电站配套的大吨位、大跨度环吊，其结构如图1所示。

图1 环吊结构示意图

由于采用了新的设计理念和特殊的结构特性，环吊抗震计算时需要考虑其与钢制安全壳、承轨梁之间的耦合动态响应，因此整体抗震计算模型由环吊、钢制安全壳等组合而成。钢制安全壳结构参数由某核电设计院提供，根据计算要求，为了考虑环吊能承受较大地震载荷的作用，选取钢制安全壳模型中接近环吊承轨面以上部分参与抗震计算。环吊主要包括大车桥架和主运行小车两大部分，整体均属于钢制焊接结构。桥架主要是由主梁、端梁及附属钢结构等部件组成。其中，主梁采用偏轨箱形结构，运行小车沿主梁上盖板安装的钢轨运行。运行小车采用刚性框架焊接。环吊的16个大车车轮与安全壳厂房中承轨梁环轨接触。

建立抗震计算模型时，选用ANSYS中的Beam188和Beam4梁单元、Mass21集中质量单元等作为基本单元，根据环吊结构截面尺寸、位置、重量分布等建立的整体抗震计算模型如图2所示。其中，大车车轮序号1～16，与钢制安全壳简化模型在相应高度位置进行连接。

图2 环吊与钢制安全壳耦合抗震计算模型

在钢制安全壳模型某标高位置节点施加固定约束，环吊桥架16个大车车轮节点均通过非线性弹簧单元与钢制安全壳模型相连，模拟起吊钢丝绳的Link180单元参数设定为只受拉力、不受压力。计算载荷工况为安全停堆地震(SSE)作用下，按照运行小车与桥架相对位置(小车位于跨中、跨端)、空载与最大危险载荷(225 t)、考虑制造偏差与否等实际因素进行组合。通过对所有工况组合抗震计算结果进行分析对比，本文选出了最为危险的8种地震工况组合，如表1所示。

表1 载荷工况组合

抗震计算时作为输入的SSE地震载荷是某一特定场地条件下地震持续时间20 s左右的地震加速度时程数据(该数据由国内某核电设计院提供)，如图3所示。将地震加速度时程数据中X、Y、Z三个方向数值作为地震载荷激励同时施加进行计算。

图3 地震加速度时程数据

3 地震时程分析结果

根据要求，环吊地震时程分析结果需要考虑环吊自重载荷的叠加组合影响，因此在编写ANSYS APDL时程计算命令流时，将SSE地震加速度时程数据与重力加速度进行了叠加组合。

3.1 位移时程响应

环吊桥架在SSE地震载荷及自重载荷组合下的最大位移响应值见表2。

表2 桥架最大位移响应值 mm

由表2中位移响应结果可知：在安全停堆地震(SSE)各工况组合下，环吊桥架主梁的水平X向动态位移响应最大为32.37 mm、水平Y向(沿大车运行方向)位移响应最大值为125.28 mm、竖直方向(Z向)的位移响应最大值为42.52 mm，出现在主梁(含电气部件)的盖板中部位置；环吊桥架端梁的水平X向动态位移响应最大值为27.54 mm、水平Y向(沿大车运行方向)位移响应最大值为130.52 mm、竖直(Z向)的位移响应最大值为3.20 mm，发生在端梁下盖板中间位置。桥架Y向位移较大原因是地震载荷作用下，环吊沿运行方向的动态滑移引起的。

环吊在0 s～20.4 s SSE地震载荷作用下的主梁竖直Z向动态位移响应变化如图4所示。通过对计算结果进一步分析可知，当运行小车在桥架跨中，桥架方向为90°，吊装临界载荷在上极限位置时，地震载荷持续时间到8.20 s时，环吊主梁竖直Z方向的位移响应出现最大值42.52 mm。同理，可在时程分析后处理中对环吊各部件在地震过程中的变化情况及峰值进行分析研究。

图4 SSE地震工况时主梁竖直Z向位移响应曲线

3.2 应力时程响应

对环吊在安全停堆地震(SSE)各工况组合下分别进行地震时程分析，环吊主要部件最大应力值见表3。

表3 环吊主要部件最大等效应力值

由表3中环吊应力响应计算结果可知，在安全停堆地震(SSE)各工况组合下，环吊最大等效应力为125.74 MPa，出现在主梁中部位置。通过对时程计算结果进一步分析可知，当运行小车在桥架跨中，桥架方向为90°，吊装临界载荷在上极限位置时，地震载荷持续时间到7.51 s时，环吊主梁结构的最大等效应力响应值出现最大为125.74 MPa，如图5所示。参照环吊设计规格书中要求，环吊在SSE地震工况时的设计许用应力小于其材料的屈服强度σs=335 MPa，因此，环吊结构最大应力响应小于设计许用值，满足设计要求。

图5 地震持续时间为7.51 s时环吊桥架等效应力云图

3.3 大车轮压响应

环吊在地震载荷(SSE)多种工况下最大径向轮压FRmax、最大切向轮压FTmax、最大竖直轮压FZmax详见表4。由表4中计算结果可知：在地震时程分析的多种地震载荷工况下，桥架大车单轮水平最大径向轮压峰值为1 811.32 kN；驱动轮单轮水平最大切向轮压峰值为1 190.47 kN；单轮最大竖直轮压峰值为1 169.55 kN，方向竖直向下。

表4 SSE地震工况下(时程)环吊大车轮压响应

地震时程分析结果中的大车、小车轮压响应值将作为设计师在设计校核车轮、连接轴、轨道、连接螺栓等环吊关键部件时需要用到的极限载荷接口数据，确保其满足极限工况下的设计要求；同时作为接口数据提供给用户，作为设计校核反应堆厂房结构、牛腿、承轨梁等核岛关键部件的关键数据。

环吊序号为10的大车车轮水平径向轮压响应在SSE地震过程中的变化情况如图6所示。

图6 车轮10径向轮压在SSE地震过程中变化曲线

环吊16个大车车轮轮缘与环轨在SSE地震中的碰撞情况如图7所示。图7中，横坐标为地震持续时间；纵坐标为模拟接触单元的状态参数，其中数值1表示车轮的轮缘与环轨产生接触碰撞，数值3表示车轮轮缘与环轨没有产生接触，是相互分离开的。通过对所有大车车轮与环轨的接触碰撞情况进行列表分析可知，在SSE地震整个过程中，环吊大车车轮会出现当一部分车轮承受地震水平载荷时另一部分车轮不承受地震水平载荷的情况，此项分析对环吊在地震反应谱分析中的边界条件设置有一定的指导意义。

图7 SSE地震过程中车轮轮缘与环轨碰撞情况

4 结语

本文结合有限元分析程序ANSYS，针对反应谱分析法的不足，对某三代核电站环吊进行了SSE地震时程分析。通过计算得到在地震发生过程中环吊整体及局部受力、变形状态以及车轮轮缘与轨道碰撞情况等参数随地震持续时间变化的情况。

由地震时程分析结果可知，当环吊的部分大车车轮水平承载达到最大响应值时，会出现另一部分车轮不承受水平力的情况，即并不是所有车轮会同时承受地震水平载荷，同时各车轮响应峰值也不都是在同一地震时刻出现。若采用反应谱分析法，可能会出现边界条件与实际情况不符、低估环吊受力或者出现环吊无法满足设计要求的情况，进而影响核电安全壳厂房的结构设计。

地震时程分析法可以考虑起吊钢丝绳、阻尼缓冲器等非线性情况影响，从而更准确地计算出环吊在地震极限工况下承受的载荷以及传导至核岛安全壳厂房的受力。因此，在环吊设计校核时，特别是对于新一代核电站中运行的大吨位环吊，采用更加接近真实情况、计算精度更高的地震时程分析法进行设计校核是非常必要的。