劉恒達

(同濟大學(xué)，上海 200092)

0 引 言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，核電因其更清潔成本更低的能源特點受到了廣泛的關(guān)注。正常情況下，核電產(chǎn)生的污染物遠少于火電，運行成本也低于光伏等其他新型能源[1]。核電廠中，核電設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)是整個核電廠正常運作的關(guān)鍵，而照明控制系統(tǒng)作為其中重要的一環(huán)，其主要功能是為反應(yīng)堆廠房、核輔助廠房等提供廠房工作照明，以及220V 交流單相插座電源[2]。為了確保照明控制系統(tǒng)在發(fā)生安全停堆地震(SSE) 時能夠保證結(jié)構(gòu)完整性和可運行性，對其進行抗震計算分析與安全性評定十分必要[3]。

就某核電廠照明控制系統(tǒng)中的主控室與遠距離停堆室照明調(diào)光盤箱體進行抗震計算分析，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對其計算結(jié)果進行應(yīng)力評定，判斷其是否滿足規(guī)范設(shè)計要求。

1 模 型

1.1 箱體結(jié)構(gòu)概況

箱體外輪廓尺寸為500mm×500mm×150mm，外部由蓋子、箱體、耳柄、鉸鏈與固定螺栓組成，內(nèi)部包括定位螺栓、元器件板與附著其上的各類元器件，箱體總質(zhì)量約為26.5kg。模型建立過程中，對于箱體、蓋子、耳柄和內(nèi)部元器件安裝板等均采用板殼單元(S4R單元)模擬，不模擬箱體內(nèi)設(shè)備剛度，視其質(zhì)量均勻附加在元器件板上。各類螺栓采用實體單元(C3D8R單元)模擬，箱體模型見圖1。

圖1 照明控制箱模型

1.2 材料特性

箱體所用材料均為304不銹鋼，所有板材厚度為2.0mm，固定螺栓為6.8級304不銹鋼螺栓。在《ASME-AG-1-2015》中，非承壓與非緊固件許用應(yīng)力取值為Sm=min(2Sy/3,Su/4)；緊固件許用應(yīng)力取值為Sm=min(Re/4,Rm/5)；各材料常溫下的力學(xué)性能參數(shù)見表1。

1.3 荷載與邊界條件

重力荷載考慮箱體結(jié)構(gòu)自重及箱體內(nèi)各構(gòu)件重量，重力加速度取值g=9.80m/s2。地震作用考慮運行基準(zhǔn)地震為SL-1，安全停堆地震為SL-2，其中SL-1取1/2SSE，SL-2取SSE。荷載組合考慮三種工況：(1)正常工況(A級使用荷載)荷載組合：DW；(2)異常工況(B級使用荷載)荷載組合：DW+SL-1；(3)事故工況(D級使用荷載)荷載組合：DW+SL-2。模擬現(xiàn)場安裝條件，箱體為掛墻安裝，為四周固定螺栓位移邊界條件。

表1 箱體結(jié)構(gòu)材料常溫下力學(xué)性能參數(shù)

圖1 箱體結(jié)構(gòu)第1階振型

圖2 箱體結(jié)構(gòu)第2階振型

圖3 箱體結(jié)構(gòu)第4階振型

圖4 箱體結(jié)構(gòu)第5階振型

2 分析與判定方法

2.1 反應(yīng)譜法

反應(yīng)譜分析法是一種彈性分析方法，為得到多自由度體系的地震響應(yīng)，該方法基于單自由度體系的加速度設(shè)計反應(yīng)譜與振型分解計算的原理，先求解各階振型對應(yīng)的等效地震響應(yīng)，然后按照一定的組合原則對各階振型的地震響應(yīng)進行疊加組合，最終得到目標(biāo)結(jié)果。

2.2 判定準(zhǔn)則

該調(diào)光盤箱體結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件均屬于板殼型構(gòu)件，即構(gòu)件厚度遠小于其他兩個方向的幾何長度，此類構(gòu)件按照《ASME-AG-1-2015》中TABLE AA-4321 的設(shè)計要求進行評定；固定螺栓則按照ASME 第Ⅲ卷第一冊NF分卷NF3324中的要求評定，具體準(zhǔn)則見表2-4，其中，σm為薄膜應(yīng)力，σm+σb為彎曲應(yīng)力。

表2 板殼型支撐構(gòu)件應(yīng)力評定準(zhǔn)則

表3 固定螺栓應(yīng)力評定準(zhǔn)則

表4 定位螺栓應(yīng)力評定準(zhǔn)則

3 計算結(jié)果與評定

3.1 動力特性計算結(jié)果

先通過ABAQUS對模型結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，在保證相當(dāng)?shù)睦塾媴⑴c質(zhì)量的前提下，計算結(jié)構(gòu)的前60階模態(tài)，其頻率均位于37.715HZ-508.95HZ之間，XY三個方向的累計參與質(zhì)量比為99.56%99.36%99.28%，模型第1、2、4、5階振型見圖1-4。

3.2 應(yīng)力計算結(jié)果與評定

輸入反應(yīng)譜，并將ABAQUS中XY三個方向的計算結(jié)果采用“SRSS” 的方法進行振型組合，得到該箱體各主要受力構(gòu)件包括連接固定螺栓在各工況下的最不利應(yīng)力，其中B、D級工況下各構(gòu)件的應(yīng)力計算結(jié)果與評定結(jié)果見表5-6。

表5 各主要受力構(gòu)件最不利位置應(yīng)力計算結(jié)果與評定

表6 螺栓應(yīng)力計算結(jié)果與評定

4 結(jié) 論

核電廠照明控制系統(tǒng)在地震發(fā)生時保證一定的完整性同時能正常運行對整個核電廠的運作至關(guān)重要，通過對照明控制箱箱體進行地震作用下的有限元計算分析并對各主要受力構(gòu)件進行安全性評定，結(jié)果表明其在抗震安全性方面滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，也對控制箱箱體的抗震性能設(shè)計與改進具有重要借鑒意義。