張建松，梅華平，何梅生，胡家海，李桃生

(1.中國科學院合肥物質科學研究院，安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學，安徽 合肥 230027)

1 引 言

臨界裝置是開展基礎核數據檢驗、驗證堆芯設計合理性的重要工具，是新型核反應堆系統(tǒng)研發(fā)必不可少的試驗平臺。臺架是臨界裝置反應堆容器、反應性控制系統(tǒng)、核測量系統(tǒng)等核心部件的支撐平臺，按照核安全設備管理要求，其機械強度必須滿足抗震I類物項的設計要求。

本文針對臨界裝置臺架設計要求，提出了一種鋼管支腿支撐的薄板臺架結構。為了保證在地震工況下臺架結構的完整性和安裝的牢固性，利用有限元方法對臺架進行了抗震分析，同時對地腳螺栓進行了選型與校核。研究結果對今后類似臺架的設計、優(yōu)化等均有一定的參考價值。

2 臺架方案

臨界裝置臺架設計采用鋼管支腿支撐的薄板臺架結構，材料為常見的Q235碳素體結構鋼，材料剛度大，屈服強度值高，焊接工藝成熟。臺架由主、副臺架組裝焊接而成，如圖1所示。主臺架主要用于承載臨界裝置反應堆容器，副臺架主要用于安裝堆外核測量系統(tǒng)及人員通道等，設計采用移動登高梯實現工作人員上下平臺。

(a)方案一

(b)方案二圖1 臺架結構示意圖

主臺架臺面厚度為30mm，長×寬為2m×2m，副臺架臺面厚度為5mm，長×寬為5m×5m，中間留有2m×2m的矩形孔用于安裝主臺架臺面，主臺架臺面底面與副臺架臺面底面平齊。主臺架臺面中心預留直徑600mm的通孔，用于安裝反射層解體停堆機構。主臺架臺面下方焊接4根長×寬為200mm×200mm、壁厚12mm、高度為1.8m的支腿，副臺架臺面下方焊接8根同樣規(guī)格的支腿。相鄰支腿之間焊接工字鋼作為加強結構，工字鋼上表面同相應位置的臺面焊接，其寬×高為102mm×200mm，上下翼面厚度為11.4mm，腰板厚度為12mm。12根支腿下方均焊接有長×寬為320mm×300mm、厚度為10mm的鋼板底座，每塊鋼板底座上預留4個直徑為24mm的通孔，用于連接地腳螺栓。副臺架臺面外側設計有安全護欄。

為探討加強筋對鋼管支腿支撐的薄板臺架結構的影響，本文設計對比了無加強筋(圖1中方案一)和有加強筋(圖1中方案二)兩種方案，方案二較方案一在臺架支腿和工字鋼連接位置增加了24根L形加強筋。臺架總質量由方案一的4187.8kg增加至4283.8kg。

3 臺架抗震分析

3.1 計算模型

利用ANSYS Workbench軟件，按照臨界裝置臺架結構尺寸，1∶1構建了臺架計算模型，如圖2所示。計算模型劃分網格時，主體網格為面映射網格[1]，其中，兩種方案的主臺架臺面上附加質量部分的網格利用膨脹層方式生成。方案一網格數量為326517個，節(jié)點數為2231407個，方案二網格數量為453187個，節(jié)點數為2493901個，兩種方案的網格質量均在0.9以上。反應堆容器的質量為5.11t，對臺架結構性能的影響通過附加質量5.2t(偏保守)體現，護欄的質量很輕，計算過程中忽略其對強度的影響。計算分析時采用室溫下材料的性能參數，詳見表1。

(a) 方案一網格模型

(b) 方案二網格模型

(c)附加質量施加示意圖圖2 臺架計算模型

表1 臺架材料參數

3.2 模態(tài)分析

對兩種方案的臺架進行了模態(tài)分析，通過固定鋼板底座的48個螺栓孔面，計算提取了臺架前十階的固有頻率，結果見表2(注：因部分有效質量比極小，所以視為0.00%)。可以看出，在X、Y、Z三個方向上，臺架前十階模態(tài)的有效質量比之和均大于90%?？紤]附加質量時，方案一的基態(tài)頻率為17.36Hz，基態(tài)頻率偏低表明臺架抗震性能較低，方案二的基態(tài)頻率為21.62Hz，抗震性能有所提升。由頻率與質量、剛度的關系可知，質量升高導致固有頻率降低，但方案二中通過增加加強筋提高了臺架整體剛度，增大了臺架固有頻率，表明加強筋剛度對固有頻率的影響明顯大于其質量對固有頻率的影響。

表2 兩種方案前10階模態(tài)參數

從表2可以看出，各方向激發(fā)有效質量比主要集中在前三階模態(tài)，圖3、圖4給出了兩種方案前三階模態(tài)情況?？梢钥闯?，方案一中，一階振型主要沿水平X方向，二階振型主要沿水平Y方向，三階振型在主臺架圓孔處沿垂直Z方向振動。方案二中，一階振型在主臺架圓孔處沿垂直Z方向振動，二階振型主要沿水平Y方向，三階振型主要沿水平X方向。分析認為，由于方案一中支腿高度為1.8m、壁厚僅為12mm，屬于抗震薄弱環(huán)節(jié)，較易激發(fā)共振。在方案二中增加加強筋后，臺架支腿剛度顯著提升，使得激發(fā)水平方向共振的頻率升高，提高了抗震能力。此外，由于固有頻率與質量負相關，反應堆容器質量附加于主臺架圓孔附近，這使得該區(qū)域較易激發(fā)共振，兩方案沿垂直Z方向激發(fā)共振的頻率基本一致。

(a)一階

(b)二階

(c)三階圖3 方案一模態(tài)云圖

(a)一階

(b)二階

(c)三階圖4 方案二模態(tài)云圖

3.3 抗震分析

臺架在臨界裝置物項分類中屬于抗震Ⅰ類物項，應進行符合極限安全地震水平的地震震動分析驗證，利用ANSYS軟件的Response Spectrum模塊對兩種臺架方案進行了抗震分析。參考GB 50267—2019《核電廠抗震設計規(guī)范》[2]要求，極限安全地震工況下，臺架的阻尼比按照7%取值。臨界裝置廠址為硬土地場，計算用標準反應譜數據見表3。在0.3g的設計地震峰值加速度下，兩種方案的反應譜分析結果見圖5、圖6。從圖5、圖6可知，方案一的最大結構應力為116.76MPa，位于主臺架支腿的地腳螺栓孔處。分析認為，此處附加質量較大，地震工況下該位置所受載荷較高。方案一的最大變形量為0.69mm，位于臺面圓孔邊緣。方案二的最大結構應力為87.77MPa，發(fā)生位置也位于主臺架支腿的地腳螺栓孔處。方案二的最大變形量為0.42mm，發(fā)生位置與方案一相同，但總變形情況得以改善。與方案一相比，方案二的最大結構應力降低了24%，最大變形量降低了39%。因此，選擇方案二作為該臨界裝置臺架的最終方案。

表3 標準反應譜數據[2]

(a)總變形量

(b)應力分布圖5 方案一抗震計算結果

(a)總變形量

(b)應力分布圖6 方案二抗震計算結果

4 螺栓選型與校核

4.1 螺栓受力情況

臺架螺栓最大受力情況如表4所示。

表4 臺架螺栓最大受力

4.2 抗拉強度校核

將方案二中受力最大的地腳螺栓在X、Y方向受力進行矢量合并，可得到其橫向力Fh，豎直方向主要承受拉力Fz。

在橫向力Fh作用下，鋼板底座與地腳螺栓平墊鐵的接合面不產生滑移的條件：

根據機械設計手冊[3]查得，接合面摩擦系數取0.3，防滑系數KS取1.2，為保證校核安全，盡量取較小值，取值為0.2，則地腳螺栓所需要的最小預緊力為：

設計地腳螺栓預緊力為18000.0N，此時地腳螺栓所受軸向拉力為：

選擇螺栓材料為Q235，性能等級為4.6，材料屈服極限σS=240MPa，安全系數S取1.5，則螺栓材料的許用應力：

參考機械設計手冊的相關要求，軸向力增加30%以考慮扭轉切應力的影響，螺栓危險截面需滿足的條件是：

上式中，d1為螺栓危險截面直徑。

從工作條件及材料疲勞強度等多方面考慮，根據GB/T 799—2020《地腳螺栓》[4]，初步選用公稱直徑D=24mm、螺距為1.5mm的A型地腳螺栓(螺紋小徑d=22.376mm)，d>d1。

4.3 抗剪強度及抗擠壓強度校核

對于Q235結構鋼，許用切應力為：

[τ]=(0.75～0.8)[σ]

許用擠壓應力為：

[σbs]=(1.7～2.0)[σ]

本文保守地取[τ]=130MPa，[σbs]=280MPa，螺栓實際受到的切應力為：

螺栓實際受到的抗擠壓應力為：

上式中，Abs為接觸面在直徑平面上的投影，為鋼板底座處螺栓孔側面與螺栓的接觸面，對于A型地腳螺栓，取值為223.76mm2。

上述計算表明，地腳螺栓的抗剪切強度、抗擠壓強度均滿足要求。

4.4 地腳螺栓及相關緊固件選型

綜上所述，選取規(guī)格為M24的A型地腳螺栓可滿足使用強度要求。根據地腳螺栓長度序列，以及對于重要設備地腳螺栓埋深L1≥30D的要求，公稱長度L選為800mm。為防止地震或者其他事故導致螺栓松弛，根據GB/T 93—1987《標準型彈簧墊圈》[5]，選用M24標準型彈簧墊圈，根據GB/T 1337—1988《六角自鎖螺母》[6]，選用規(guī)格為M24自鎖螺母。M24彈簧墊圈厚度為6mm，M24自鎖螺母厚度為22mm，緊固后地腳螺栓露3個螺紋，長度為4.5mm，平墊鐵厚度選為25mm，綜合考慮零部件加工及安裝各因素導致的誤差，埋深L1設定為735mm，L1>30D，符合埋深的要求。

5 結 論

本文設計了臨界裝置的支撐臺架，并對臺架進行了結構抗震分析和螺栓強度校核，結果表明：

(1)采用有加強筋的方案，臺架的基態(tài)頻率升高，抗震能力明顯增強。在0.3g的極限地震震動加速度峰值下，臺架最大結構應力為87.77MPa，位于主臺架的底板地腳螺栓孔處；最大變形量為0.42mm，位于臺面圓孔邊緣。與無加強筋方案比較，最大結構應力降低了24%，最大變形量降低了39%。

(2)選用M24的A型地腳螺栓，可滿足極限安全地震工況下臺架地腳螺栓最大受力帶來的抗拉強度、抗剪切強度及抗擠壓強度的要求。