車英明 劉小龍 顧謙遠

(1．西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計研究院，陜西西安 710055;2．中建三局總承包公司，湖北武漢 430064;3．山東華興鋼構(gòu)有限公司，山東濱州 256500)

0 引言

本文所討論的發(fā)電機備用轉(zhuǎn)子存放支架是用于長期存放發(fā)電機備用轉(zhuǎn)子的專用支架，安全等級為3級。本文對一發(fā)電機備用轉(zhuǎn)子的存放支架應(yīng)用振型分解反應(yīng)譜分析方法進行抗震分析，地震載荷根據(jù)GB 50267-97核電廠抗震設(shè)計規(guī)范取值，采用GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對其進行安全評定。

1 有限元分析

本文采用SAP2000 v15．1進行鋼結(jié)構(gòu)支架的應(yīng)力、穩(wěn)定與抗震分析。SAP2000尤其適用于結(jié)構(gòu)的動力分析，在空間結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析領(lǐng)域內(nèi)也占據(jù)重要地位。

1．1 結(jié)構(gòu)概述

本文分析的對象是存放轉(zhuǎn)子的2個鋼架平臺及4根墊梁。發(fā)電機轉(zhuǎn)子加上運輸包裝箱的總重為110 t，它將存放在兩個由18號工字鋼、18號槽鋼組成的鋼架平臺上，4根墊梁由35 mm和20 mm的鋼板組成箱式梁，采用專用壓鐵及螺栓與各用轉(zhuǎn)子包裝底架固定為一體。轉(zhuǎn)子由這4根墊梁與2個鋼架平臺支撐，用橡膠板在墊梁與鋼架平臺之間隔墊、防滑。轉(zhuǎn)子的存放支架平臺的平面尺寸為7 300 mm×4 800 mm;存放的轉(zhuǎn)子設(shè)備長9 384 mm，寬4 290 mm，高3 340 mm，其自重G=110 t。鋼架平臺后視圖見圖1，鋼架平臺側(cè)視圖見圖2。

圖1 鋼架平臺后視圖

圖2 鋼架平臺側(cè)視圖

1．2 建立有限元模型

1．2．1 計算假定

1)所有桿件均為焊接，結(jié)構(gòu)計算時連接部位均按照剛接進行考慮。

2)支架底部由于不具有平動和轉(zhuǎn)動自由度，按照固端約束進行考慮。

3)橫向承重梁在計算分析中沒有考慮加勁肋的作用，在穩(wěn)定驗算時進行考慮，強度計算時作為安全儲備。

1．2．2 計算模型

鋼結(jié)構(gòu)支架中的桿件全部使用空間桿單元按照實際尺寸進行建模，承重橫梁和下部支架節(jié)點處鋼板使用薄殼模型，支架上荷載使用實體單元，定義密度使之達到110 t荷載。有限元模型見圖3。鋼材為Q235A1F，材性按照GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行取值。

圖3 備用轉(zhuǎn)子存放支架有限元模型

2 材料特性

鋼架平臺與墊梁所用的都是Q235A1F鋼，其材料特性見表1。

表1 Q235A1 F材料特性

3 載荷

在分析中，設(shè)備和橫向支撐梁的連接采用共同節(jié)點的方式進行荷載傳遞，將設(shè)備質(zhì)量先傳到橫向支撐梁上，再向兩榀支架上進行傳遞;設(shè)備荷載按照密度進行定義，在dead荷載中將自重計算為1．0倍，豎向荷載即可計算;反應(yīng)譜和模態(tài)分析使用SAP2000中的質(zhì)量源進行定義，按照密度定義成質(zhì)量進行計算(見圖4)。

圖4 反應(yīng)譜函數(shù)定義

根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》關(guān)于設(shè)計反應(yīng)譜的規(guī)定，取硬土場標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，其中豎向反應(yīng)譜取標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜的2/3，阻尼比為2%。地震反應(yīng)譜見表2，計算中考慮了自重的影響。

表2 計算輸入反應(yīng)譜(阻尼比2%)

4 應(yīng)力限制

材料的應(yīng)力評定準(zhǔn)則見表3。

表3 應(yīng)力評定準(zhǔn)則(設(shè)計強度) MPa

5 分析結(jié)果及評定

5．1 振型分析

結(jié)構(gòu)的各階振型的固有頻率見表4，振型圖分別見圖5～圖8。

表4 結(jié)構(gòu)固有頻率

圖5 一階振型

圖6 二階振型

圖7 三階振型

圖8 四階振型

5．2 應(yīng)力評定

在地震反應(yīng)譜加自重的作用，最大變形發(fā)生在5號節(jié)點處，三個方向位移綜合考慮后最大位移為2．03 mm，發(fā)生在橫向支撐梁與設(shè)備相接處的兩端;最大應(yīng)力均發(fā)生在桁架立柱處;最大負應(yīng)力為－193．162 MPa，產(chǎn)生單元編號為 237，最大正應(yīng)力為 180．702 MPa，產(chǎn)生單元編號為236，均小于許用應(yīng)力215 MPa。另外加上自重工況的最大變形和位移。

5．3 穩(wěn)定性評定

對鋼架平臺高810 mm的18號工字鋼立柱，需要進行失穩(wěn)分析。工字鋼立柱的有效細長比k1/r=40．5＜200，滿足GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中最大長徑比的要求。

工字鋼立柱的最大軸力發(fā)生桿件為87號單元，最大軸力為－220．752 kN，最大彎矩21．022 3 N·m，對于軸向壓縮與彎曲的組合應(yīng)力，亦在18號工字鋼承載能力范圍之內(nèi)。墊梁采用加勁肋設(shè)計，設(shè)備上面采用類似密鋪板，滿足整體穩(wěn)定要求。因為滿足規(guī)范的要求，所以工字鋼是穩(wěn)定的。

6 結(jié)語

根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》關(guān)于設(shè)計反應(yīng)譜的規(guī)定，取硬土場標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，并考慮結(jié)構(gòu)自重的影響，對發(fā)電機備用轉(zhuǎn)子的存放支架進行了應(yīng)力、穩(wěn)定及抗震分析評定，結(jié)果表明，該支架滿足GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求。

［1］閆 冬．SAP2000結(jié)構(gòu)工程分析及實例詳解［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［2］《機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》編寫組．機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1995．

［3］GB 50267-97，核電廠抗震設(shè)計規(guī)范［S］．

［4］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．