胡服全　朱翊洲　高文軍

(1．國(guó)核華清核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京　102209;　2．上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上?！?00233; 3．招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

電纜橋架抗震動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)及響應(yīng)分析★

胡服全1朱翊洲2高文軍3

(1．國(guó)核華清核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京102209;2．上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233; 3．招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067)

摘要:試驗(yàn)研究了電纜橋架結(jié)構(gòu)的抗震動(dòng)態(tài)特性，得到了電纜橋架的頻率和阻尼，分析了電纜橋架立柱的加速度、位移和應(yīng)變變化規(guī)律，利用ANSYS建立有限元模型，對(duì)電纜橋架試驗(yàn)工況進(jìn)行時(shí)程分析，結(jié)果顯示，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，說(shuō)明利用時(shí)程分析能較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。

關(guān)鍵詞:電纜橋架，模態(tài)分析，時(shí)程分析，抗震性能

地震是地球上的自然災(zāi)害，給人類社會(huì)造成損失，甚至帶來(lái)了極大的災(zāi)難。全球每年都發(fā)生地震，有不少地震給震區(qū)人民帶來(lái)巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。我國(guó)處在世界兩大地震帶之間，發(fā)生過(guò)許多破壞性很大的地震。比如1976年的唐山大地震，2008年的汶川大地震等，均造成重大人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，因此有必要加強(qiáng)各種建筑及結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。核電站中用電纜橋架屬核安全三級(jí)、抗震Ⅰ類設(shè)備，必須具有良好的抗震性能，這是核電站在地震中安全運(yùn)行或安全停堆的重要條件［1］，許多科研者對(duì)核電站用的鋼制電纜橋架抗震性能進(jìn)行了研究［1，2］，但試驗(yàn)研究較少。

本文以電纜橋架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)及響應(yīng)分析。研究結(jié)構(gòu)抗震需要了解結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離固有頻率，從而減小振動(dòng)影響。為了能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，通常需要使用有限元、統(tǒng)計(jì)能量法等數(shù)值計(jì)算方法對(duì)實(shí)際振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析［3］。

1　動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

1．1電纜橋架試件

試件模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖l，電纜橋架試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑镼235鋼結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)件包含立柱、橫梁和托板，總共三層。試驗(yàn)件與支撐件通過(guò)厚板連接，固定螺栓為10．9級(jí)高強(qiáng)度螺栓。

圖1　電纜橋架模型

1．2試驗(yàn)

對(duì)空載電纜橋架進(jìn)行白噪聲激勵(lì)，白噪聲峰值加速度0．2g，分別進(jìn)行X，Y向輸入，采集各測(cè)點(diǎn)加速度信號(hào);對(duì)滿載電纜橋架進(jìn)行白噪聲激勵(lì)，白噪聲峰值加速度為0．3g，進(jìn)行X，Y，Z三向同時(shí)輸入，采集各測(cè)點(diǎn)加速度信號(hào)，利用隨機(jī)子空間法［4，5］進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，確定頻率和阻尼比。測(cè)量立柱上的振動(dòng)加速度、位移和應(yīng)變。

2　試驗(yàn)結(jié)果

2．1頻率、阻尼分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的加速度，利用隨機(jī)子空間法進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，得空載電纜橋架X向整體振型第一階頻率7．31 Hz，Y向整體第一階頻率13．23 Hz，阻尼比3．2%;滿載電纜橋架X向整體振型第一階頻率4．7 Hz，Y向整體振型第一階頻率8．0 Hz，阻尼比3．6%。電纜橋架結(jié)構(gòu)頻率與載重有關(guān)，滿載時(shí)的頻率小于空載時(shí)，見(jiàn)表1。

表1　電纜橋架結(jié)構(gòu)頻率

2．2加速度響應(yīng)分析

對(duì)滿載電纜橋架的加速度響應(yīng)進(jìn)行分析，得到1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)立柱頂部測(cè)點(diǎn)X向、Y向、Z向峰值加速度放大系數(shù)，見(jiàn)圖2。

圖2　峰值加速度的放大系數(shù)

X向的放大系數(shù)最大，Y向的放大系數(shù)次之，Z向的放大系數(shù)最小，同一方向不同立柱的放大系數(shù)偏差不大。其中加速度峰值放大系數(shù)為測(cè)量的加速度峰值與輸入地震臺(tái)的加速度峰值之比。

2．3位移響應(yīng)分析

對(duì)滿載電纜橋架的位移響應(yīng)進(jìn)行分析，得到滿載的電纜橋架1號(hào)立柱上(立柱頂部)、中(立柱與第二層托板交叉處)、下(立柱根部)三處測(cè)點(diǎn)的X向位移時(shí)程，見(jiàn)圖3，1號(hào)柱X向上測(cè)點(diǎn)位移最大，中測(cè)點(diǎn)位移次之，下測(cè)點(diǎn)位移最小。

圖3　X向位移時(shí)程試驗(yàn)結(jié)果

2．4應(yīng)變響應(yīng)分析

對(duì)滿載電纜橋架的應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行分析，得到不同立柱的Z向彎曲應(yīng)變，見(jiàn)圖4，可知1號(hào)柱比3號(hào)柱Z向彎曲應(yīng)變略大些。

圖4　不同立柱Z向彎曲應(yīng)變時(shí)程試驗(yàn)結(jié)果

3　動(dòng)力時(shí)程分析

3．1有限元模型建立

采用ANSYS建立有限元模型，建模中進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，電纜橋架模型中托板及底座采用Shell63單元，立柱與橫梁采用Beam4單元，螺栓采用Beam188單元，電纜橋架有限元模型見(jiàn)圖5。

圖5　電纜橋架有限元模型

3．2時(shí)程分析

對(duì)滿載電纜的電纜橋架試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬，以地震臺(tái)面X，Y，Z加速度時(shí)程作為模擬載荷輸入，所用阻尼比由試驗(yàn)得為3．6%。時(shí)程分析得到1號(hào)立柱上中下三處測(cè)點(diǎn)X向位移時(shí)程，見(jiàn)圖6。

圖6　X向位移時(shí)程模擬結(jié)果

由圖6可知:1號(hào)柱X向上測(cè)點(diǎn)位移最大，中測(cè)點(diǎn)位移次之，下測(cè)點(diǎn)位移最小。時(shí)程分析得到不同立柱的Z向彎曲應(yīng)變比較，見(jiàn)圖7，1號(hào)柱比3號(hào)柱稍大些。

圖7　立柱Z向彎曲應(yīng)變時(shí)程模擬結(jié)果

3．3與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

試驗(yàn)與模擬均得到:1號(hào)柱X向上測(cè)點(diǎn)位移最大，中測(cè)點(diǎn)位移次之，下測(cè)點(diǎn)位移最小，即立柱的振動(dòng)位移從上至下減小;立柱根部彎曲應(yīng)變最大，不同立柱Z向彎曲應(yīng)變值偏差較小。電纜橋架在振動(dòng)中是否會(huì)損傷，主要取決于最大彎曲應(yīng)變是否超限，所以只比較彎曲應(yīng)變和振動(dòng)位移大的測(cè)點(diǎn)。對(duì)1號(hào)柱頂部測(cè)點(diǎn)X向模擬位移時(shí)程與試驗(yàn)位移時(shí)程進(jìn)行比較，見(jiàn)圖8。由圖8可知，模擬與試驗(yàn)結(jié)果的位移變化趨勢(shì)一致，不同時(shí)刻的位移值偏差也較小。

圖8　1號(hào)柱頂部X向位移時(shí)程模擬與試驗(yàn)比較

對(duì)1號(hào)柱根部測(cè)點(diǎn)Z向模擬得到的彎曲應(yīng)變時(shí)程與試驗(yàn)得到的彎曲應(yīng)變時(shí)程進(jìn)行比較，見(jiàn)圖9。由圖9可知，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的彎曲應(yīng)變變化趨勢(shì)一致，不同時(shí)刻的彎曲應(yīng)變值偏差也較小。綜上所述，理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，兩者相互印證，說(shuō)明建立的電纜橋架模型符合工程實(shí)際，利用時(shí)程分析可以較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。

圖9　1號(hào)柱根部Z向彎曲應(yīng)變時(shí)程模擬與試驗(yàn)比較

4　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電纜橋架進(jìn)行了抗震動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)及響應(yīng)分析，分析了電纜橋架立柱上的振動(dòng)加速度、位移和應(yīng)變變化規(guī)律，建立有限元模型，對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行時(shí)程分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示結(jié)果相符，兩者相互印證，對(duì)電纜橋架設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

［1］楊德生，孫柏濤，胡少卿．核電站用鋼制梯架式電纜橋架抗震性能研究［J］．世界地震工程，2008，24(2):54-59．

［2］陳文強(qiáng)．AP1000設(shè)備抗震鑒定要求與核級(jí)電纜橋架的抗震性能鑒定［J］．硅谷，2012(11):160-162．

［3］Lyon R H，Madanik G．Power flow between linearly coupled oscillators［J］．The Journal of the Acoustical Society of America，1961，34(5):623-639．

［4］李慧，周晶，杜永峰，等．隨機(jī)子空間法參數(shù)識(shí)別與有限元分析［J］．低溫建筑技術(shù)，2008，125(5):46-48．

［5］張敏，趙青，黃俐．模擬環(huán)境激勵(lì)下鋼管混凝土拱橋模態(tài)分析［J］．山西建筑，2013，39(1):134-135．

中圖分類號(hào):TU352

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0026-02

收稿日期:2016-04-03 ★:國(guó)家科技重大專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2012ZX06004-012)

作者簡(jiǎn)介:胡服全(1978-)，男，工程師

Dynamic characteristics test and response analysis of cable tray structure★

Hu Fuquan1Zhu Yizhou2Gao Wenjun3
(1．State Nuclear Power Technology Research＆Development Centre，Beijing 102209，China; 2．Shanghai Nuclear Engineering Research＆Design Institute，Shanghai 200233，China; 3．China Merchants Chongqing Communications Technology Research＆Design Institute Co．，Ltd，Chongqing 400067，China)

Abstract:Dynamic characteristic test of the cable tray structure had been studied，the frequency and damping of cable tray were obtainted，the change rule of vibration acceleration displacement and strain were discussed．The finite element model was established by using ANSYS for time history analysis，it shows that the simulation and the experimental result is consistent，the time history analysis can accurately reflect the dynamic characteristics of the cable tray structure．

Key words:cable tray，modal analysis，time history analysis，seismic performance