为保证一体化堆顶组件山东电缆桥架在寿期内的结构完整性，应用ANSYS程序对其进行静力分析、模态分析和动载荷作用下的反应谱分析。模态分析采用子空间迭代法计算得到结构的固有频率、振型和参与质量。运用谱分析法进行安全停堆地震SSE及设计基准管道破裂DBPB载荷下的动态反应分析，得到结构的应力分布及动态反应值，采用平方和平方根法(SRSS)进行组合，评定结果表明该结构满足规范有关应力限制要求，可为该设备的在役检查和维修提供依据。

　　1 引言

　　20世纪后期随着计算机技术的快速发展，计算机辅助工程(CAE)技术逐渐成为工程应用的主要工具。该技术已被广泛应用于汽车、高速列车、起重机等领域的结构分析中。在我国核电厂主设备的结构和热工水力分析中，CAE分析技术亦已成为当前核岛主设备设计分析的关键工具，并在核电厂设冷热交换器、压力容器、行星减速箱的应力及疲劳分析中发挥着重要作用。一体化堆顶组件(IHP)是第三代AP1000核电厂反应堆本体设备的重要设备之一，它将传统核电站中的功能分散的堆顶组合件及反应堆堆芯测量系统等集成在一起，实现了停堆换料期间的压力容器顶盖与堆顶组件的整体吊装、转移和存放，大大缩短了反应堆的换料时间。电缆桥架安装在一体化堆顶组件上，主要用于支承通向反应堆厂房操作平台的电缆。在反应堆正常运行期间，山东电缆桥架搁置在反应堆厂房操作平台上，如图1所示。当停堆换料需拆卸压力容器顶盖时，电缆桥架可被提升并与顶盖组件一同吊装，如图2所示。

　　应用ANSYS程序对电缆桥架建模，并进行自重载荷、活动载荷下的静力分析、模态分析和地震SSE载荷和DBPB载荷下的动态反应谱分析。根据应力计算结果找出桥架结构薄弱部位，提出结构改进方案，并按照规范对各构件进行了应力评定。

　　

 

　　图1 电缆桥架搁置于操作台上

　　Fig.1 Cable Bridge on the Operating Deck

　　

 

　　图2 电缆桥架升起状态

　　Fig.2 Cable Bridge in the Up Position

　　2 计算输入

　　山东电缆桥架为抗震II类设备，主要用来支撑堆顶设备电缆(包括1E级和非1E级电缆)，框架结构由主梁、横梁、加强梁等线型构件和5条电缆托盘组成，分析时需考虑自重载荷D、起吊时冲击载荷I、活动载荷L、设计基准管道破裂载荷(DBPB)和安全停堆地震载荷(SSE)，起吊冲击载荷保守选用5%的自重载荷作为输入。现场载荷为沿盖板4800Pa的压力载荷和任意位置1112N的集中力载荷。

　　电缆桥架北端在竖直方向上支撑于操作台上，南端则由两个销钉连接于堆顶工作平台上，水平方向SSE载荷不影响桥架结构，因此水平方向取用DBPB反应谱，竖直方向取用SSE和DBPB响应谱的包络谱。电缆桥架竖直方向上包络的地震加速度反应谱，如图3所示。电缆桥架结构分析的载荷组合，如表1所示。

　　

 

　　图3 包络反应谱(竖直方向)

　　Fig.3 Enveloped Response Spectrum(Vertical Direction)

　　表1 载荷组合

　　Tab.1 Load Combinations

　　

 

　　3 计算模型

　　根据AP1000一体化堆顶组件电缆桥架结构，以桥架转动轴中点为原点建立模型.采用ANSYS程序中梁单元(BEAM4)模拟横梁、电缆支架等线型部件，板壳单元(SHELL63)模拟盖板及台阶面板，扶手、折叠台阶等部件则以集中质量(MASS21)附加于相应节点上。反应堆处于运行状态下电缆桥架在水平位置的模型，如图4所示。桥架提升时的模型，如图5所示。桥架提升完毕后固定时的模型，如图6所示。

　　

 

　　图4 桥架处水平位置

　　Fig.4 Bridge in Horizontal Position

　　

 

　　图5 桥架提升时

　　Fig.5 Bridge Lifting

　　

 

　　图6 桥架提升后固定时

　　Fig.6 Bridge Lifted

　　山东电缆桥架通过两个销钉与工作平台连接，2点X，Y轴转动约束。当反应堆处于运行状态时，桥架降下处于水平位置且其北端搁于操作台上，8个支脚通过旋转螺母与操作台竖直方向上固定;在停堆换料期间电缆桥架需要借助堆顶绞盘系统从水平位置上升到竖直位置(约80°)，当桥架开始升起、支脚刚离开操作平台时，桥架处于最大负荷，此时桥架的全部重量加载于绞盘系统和连接在工作平台的两枚销钉处;桥架在升起位置由两根拉杆与工作平台连接，此时绞盘缆绳的拉力最小，因此此位置只考虑自重载荷，无需评定Level D工况载荷。电缆桥架在各使用限制下的约束条件，如表2所示。

　　表2 电缆桥架约束条件

　　Tab.2 Constraint Conditions of Cable Bridge

　　

 

　　4 模态分析

　　本节采用子空间迭代法(SUBSPACE)对该电缆桥架进行了模态分析，计算了80阶模态，得到了结构的固有频率和振型，运行工况下桥架模型的总质量为4355.8kg，设计总质量为4406.2kg，选取了部分的固有频率，如表3所示。如图7～图9所示，显示了该电缆桥架第1、3、2阶振型，分别对应X，Y，Z方向上的整体振动。

　　表3 部分固有频率

　　Tab.3 Part of the Natural Frequencies

　　

 

　　

 

　　图7 第1阶模态振型(X方向)

　　Fig.7 The 1st Mode Shape(X Direction)

　　

 

　　图8 第3阶模态振型(Y方向)

　　Fig.8 The 3rd Mode Shape(Y Direction)

　　

 

　　图9 第2阶模态振型(Z方向)

　　Fig.9 The 2nd Mode Shape(Z Direction)

　　5 应力评定

　　电缆桥架主体框架的材料采用Q345B，根据ANSI/AISC N690，电缆桥架线型构件在各使用限制条件下的应力限值，如表4所示。AP1000一体化堆顶电缆桥架各线性构件的应力评定结果，如表6所示。电缆桥架在SSE+DBPB载荷下拉应力及弯曲应力云图，如图10、图11所示。

　　表4 线型构件应力限值

　　Tab.4 Allowable Stress of Linear-Type Components

　　

 

　　表5 各线型构件应力评定结果

　　Tab.5 Stress Evaluation Results of Linear-Type Components

　　

 

　　

 

　　图10 SSE+DBPB载荷下拉应力

　　Fig.10 Tension Stress for SSE+DBPB Load

　　

 

　　图11 SSE+DBPB载荷下弯曲应力

　　Fig.11 Bending Stress for SSE+DBPB Load

　　6 结论

　　运用有限元分析方法，对AP1000一体化堆顶电缆桥架进行了结构分析，根据核电厂实际运行情况考虑了自重载荷、现场载荷、起吊冲击载荷、DBPB载荷和SSE载荷，应用子空间迭代法进行模态分析，得到结构的固有频率，并进行响应谱分析，得到结构在各载荷组合下的应力分布，最大应力主要集中于竖直梁与水平梁连接处，分析结果表明该山东电缆桥架结构符合ANSI/AISCN690规范的有关应力限值要求，可为该设备的在役检查和维修提供依据。

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