摘 要：聯(lián)合泵房上部鋼結(jié)構(gòu)為單層框排架體系，屬核安全I(xiàn)類(lèi)物項(xiàng)。本文以田灣核電站56號(hào)機(jī)組聯(lián)合泵房上部鋼結(jié)構(gòu)為算例，通過(guò)將極端環(huán)境荷載——現(xiàn)有廠址中加速度峰值最大的泵房頂部地震反應(yīng)譜和風(fēng)壓值最高的龍卷風(fēng)作用依次施加于算例結(jié)構(gòu)上，得到結(jié)構(gòu)在這兩類(lèi)極端環(huán)境荷載工況下的構(gòu)件應(yīng)力分布規(guī)律和各類(lèi)構(gòu)件應(yīng)力裕度，為聯(lián)合泵房上部鋼結(jié)構(gòu)的耐強(qiáng)震和龍卷風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和保障。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合泵房上部鋼結(jié)構(gòu)；單層框排架；極限安全地震作用；龍卷風(fēng)作用

1.工程概述

聯(lián)合泵房上部鋼結(jié)構(gòu)多采用單層雙坡雙跨框排架結(jié)構(gòu)體系，屬核安全I(xiàn)類(lèi)物項(xiàng)。該鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面的主要特點(diǎn)為：排架柱柱頂與屋面桁架剛接，柱腳為剛接柱腳；在結(jié)構(gòu)縱向柱間支撐布置較密，多采用隔一布一的方式布置。本文以田灣核電站56號(hào)機(jī)組聯(lián)合泵房上部鋼結(jié)構(gòu)為算例。該廠房為單層雙坡雙跨框排架結(jié)構(gòu)，廠房橫向跨度為44.6m，縱向長(zhǎng)度為62.19m，高度為19.5m，廠房三維構(gòu)造見(jiàn)圖2.1。廠房每個(gè)橫向跨度內(nèi)各布置1臺(tái)40t/5t橋式雙梁吊車(chē)，每臺(tái)吊車(chē)自重為51t。

極端環(huán)境荷載指可信但極少可能發(fā)生的環(huán)境荷載和作用，包括極限安全地震作用和龍卷風(fēng)作用，為鋼結(jié)構(gòu)廠房的最不利荷載工況。

2.模型及參數(shù)

2.1模型描述

本鋼結(jié)構(gòu)采用三維有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析，全部構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬，吊車(chē)用集中質(zhì)量單元MASS21模擬。屋架、系桿、支撐與排架柱剛性連接，排架柱柱腳的邊界條件為剛接。廠房的三維模型見(jiàn)圖2.1。

圖2.1 聯(lián)合泵房上部鋼結(jié)構(gòu)三維模型圖

2.2材料參數(shù)和構(gòu)件截面

鋼材材質(zhì)為Q345B，密度7.85t/m3，彈性模量2.06×107kN/m2，泊松比0.3，抗拉抗壓強(qiáng)度325MPa，抗剪強(qiáng)度180MPa。各主要構(gòu)件的截面型號(hào)見(jiàn)表2.2。

表2.2 鋼構(gòu)件截面型號(hào)

2.3恒、活荷載

除結(jié)構(gòu)自重外，屋面板、墻面板自重為0.7kN/m2，屋面活荷載值為0.5kN/m2。吊車(chē)最大輪壓為404kN。

2.4結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

對(duì)本鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的自振頻率及其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量參與系數(shù)如表2.4所示。結(jié)構(gòu)的振型圖見(jiàn)圖2.4。

表2.4 本鋼結(jié)構(gòu)各階自振頻率和質(zhì)量參與系數(shù)

a）X方向 b）Y方向

c）Z方向 d）扭轉(zhuǎn)方向

圖2.4 本鋼結(jié)構(gòu)各方向的第1階振型圖

從圖表中可見(jiàn)，本鋼結(jié)構(gòu)的各階自振頻率均大于1Hz，表明結(jié)構(gòu)的整體剛度較大。結(jié)構(gòu)的Y向平動(dòng)剛度和扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較小，振動(dòng)幅度比較突出。結(jié)構(gòu)在水平方向的質(zhì)量參與系數(shù)集中在第1階振型，在豎直方向的質(zhì)量參與系數(shù)比較離散。

3.極端環(huán)境荷載作用模擬

3.1極限安全地震作用模擬

現(xiàn)有廠址中，以漳州廠址聯(lián)合泵房的頂部地震反應(yīng)譜峰值加速度為最大。鋼結(jié)構(gòu)輸入反應(yīng)譜采用聯(lián)合泵房標(biāo)高-0.40m處樓層反應(yīng)譜4%阻尼比譜值，見(jiàn)圖3.1，激振作用點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)柱腳處。極限安全地震震動(dòng)（SL-2級(jí)）時(shí)泵房基底水平和豎向加速度峰值分別為0.30g和0.20g，傳到鋼結(jié)構(gòu)柱腳處的X、Y、Z向0周期對(duì)應(yīng)的加速度值分別為0.9818g、0.9945g和0.5658g，結(jié)構(gòu)主頻對(duì)應(yīng)的加速度值分別為1.9g、1.09g和1.7824g。

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X方向 Y方向 Z方向

圖3.1 聯(lián)合泵房標(biāo)高-0.40m樓層反應(yīng)譜（SL-2）

地震作用通過(guò)同時(shí)輸入3個(gè)方向的反應(yīng)譜來(lái)模擬。在反應(yīng)譜分析中，X、Y方向取300個(gè)振型，Z方向取1000個(gè)振型，保證每個(gè)方向的質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到90%；地震三個(gè)方向中每個(gè)模態(tài)的響應(yīng)通過(guò)CQC方法組合。三個(gè)方向的地震結(jié)果采用SRSS方法組合。

3.2龍卷風(fēng)作用模擬

龍卷風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)Wt，由龍卷風(fēng)風(fēng)壓荷載Wtg、大氣壓迅速變化引起的壓差荷載Wtp和龍卷風(fēng)引起的飛射物撞擊效應(yīng)Wtm組成。

其中，μ_L為尺寸系數(shù)，μ_（Z ）為風(fēng)荷載體型系數(shù)，wmax為龍卷風(fēng)旋轉(zhuǎn)半徑處的最大風(fēng)壓。

現(xiàn)有廠址中以田灣廠址所在的龍卷風(fēng)風(fēng)壓為最大，其參數(shù)為：最大風(fēng)速wmax = 92.6m/s，最大壓降Wtp = 6.42kPa。龍卷風(fēng)荷載效應(yīng)采用的組合為Wt=Wtg + 0.5 Wtp + Wtm。作用在鋼結(jié)構(gòu)上的龍卷風(fēng)風(fēng)壓和最大壓降荷載見(jiàn)圖3.2。

a）X向龍卷風(fēng)風(fēng)壓荷載（kN/m） b）Y向龍卷風(fēng)風(fēng)壓荷載（kN/m） c）龍卷風(fēng)最大壓降荷載（kN/m）

圖3.2 作用在鋼結(jié)構(gòu)上的龍卷風(fēng)荷載

4.極端環(huán)境荷載控制下的構(gòu)件應(yīng)力分布

為反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的受荷狀態(tài)，采用自重荷載工況D和活荷載工況L分別與極限安全地震工況E2、龍卷風(fēng)工況Wt組合，得到這兩種工況組合下的構(gòu)件應(yīng)力分布結(jié)果。

4.1極限安全地震工況控制下的內(nèi)力與應(yīng)力分布

本鋼結(jié)構(gòu)在自重荷載、活荷載和極限安全地震工況組合下的構(gòu)件應(yīng)力分布云圖如圖4.1-1～2所示。

a）工況組合D+L+E2 b）工況組合D+L-E2

圖4.1-1 結(jié)構(gòu)整體正應(yīng)力σx（kPa）分布云圖

a）工況組合D+L+E2 b）工況組合D+L-E2

圖4.1-2 結(jié)構(gòu)局部正應(yīng)力極值σx-max（kPa）分布云圖

從極限安全地震作用控制下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖可以看出，排架柱柱腳和柱頂、中列下柱支撐處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；拉、壓應(yīng)力極值均產(chǎn)生在中列柱柱腳處，分別為227MPa和-242MPa，同時(shí)中列下柱支撐處也產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力（約215MPa），其值小于鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值且滿足構(gòu)件穩(wěn)定要求，表明結(jié)構(gòu)極限安全地震作用控制下在仍處于彈性狀態(tài)。

4.2龍卷風(fēng)工況控制下的內(nèi)力與應(yīng)力分布

本鋼結(jié)構(gòu)在自重荷載、活荷載和龍卷風(fēng)作用工況組合下的正應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖4.2-1～2所示。

a）X向龍卷風(fēng) b）Y向龍卷風(fēng)

圖4.2-1 結(jié)構(gòu)整體正應(yīng)力σx分布云圖（kPa）

a）X向龍卷風(fēng) b）Y向龍卷風(fēng)

圖4.2-2 結(jié)構(gòu)局部正應(yīng)力極值σx-max （kPa）分布云圖

從龍卷風(fēng)作用控制下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖可以看出，中列柱柱腳、屋架端部和左側(cè)屋面系桿處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；拉、壓應(yīng)力極值均產(chǎn)生在屋架弦桿端部，分別為225MPa和-219MPa，其值小于鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值同時(shí)滿足構(gòu)件穩(wěn)定要求，表明結(jié)構(gòu)在龍卷風(fēng)作用控制下仍處于彈性狀態(tài)。

4.3極限安全地震及龍卷風(fēng)作用控制下的構(gòu)件應(yīng)力裕度

表4.3-1和4.3-2分別列出了本鋼結(jié)構(gòu)各類(lèi)構(gòu)件在極限安全地震作用和龍卷風(fēng)作用控制下的正應(yīng)力極值和相應(yīng)的應(yīng)力裕度。

表4.3-1 極限安全地震作用控制下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力極值和裕度

表4.3-2 龍卷風(fēng)作用控制下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力極值和裕度

從各構(gòu)件的正應(yīng)力極值和應(yīng)力裕度表可以看出，在極限安全地震作用控制下下柱的強(qiáng)度裕度最低，下柱支撐的穩(wěn)定裕度最低，其余構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定裕度大于100%；下柱、牛腿、柱間系桿和柱間支撐的應(yīng)力設(shè)計(jì)最大值由極限安全地震作用控制。在龍卷風(fēng)作用控制下屋架的應(yīng)力裕度和穩(wěn)定裕度最低，除屋架、上柱和下柱外其余構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定裕度大于100%；上柱、屋架、屋面檁條和屋面支撐的應(yīng)力設(shè)計(jì)最大值由龍卷風(fēng)作用控制。

5.結(jié)論

綜上所述，聯(lián)合泵房上部鋼結(jié)構(gòu)采用雙跨雙坡框排架體系時(shí)，結(jié)構(gòu)整體剛度比較大，通過(guò)合理的構(gòu)件設(shè)計(jì)能使結(jié)構(gòu)具有抵抗現(xiàn)有廠址中最強(qiáng)地震作用和最強(qiáng)龍卷風(fēng)作用的能力。本鋼結(jié)構(gòu)的耐震能力主要取決于中柱下柱和下柱支撐的強(qiáng)度和穩(wěn)定承載力，耐龍卷風(fēng)能力主要取決于屋架端部弦桿的強(qiáng)度承載力。在以后的聯(lián)合泵房上部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)廠房所在廠址地震加速度和龍卷風(fēng)風(fēng)壓的大小來(lái)靈活調(diào)整中柱下柱、下柱支撐和屋架端部弦桿的截面型號(hào)，使結(jié)構(gòu)在具有抵抗極端環(huán)境荷載作用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

（本文作者單位為：中國(guó)核電工程有限公司 北京 100084）