轉子鋼支架抗震性能分析與評定

車英明 劉小龍 顧謙遠

(1．西安建筑科技大學建筑設計研究院，陜西西安 710055;2．中建三局總承包公司，湖北武漢 430064;3．山東華興鋼構有限公司，山東濱州 256500)

0 引言

本文所討論的發(fā)電機備用轉子存放支架是用于長期存放發(fā)電機備用轉子的專用支架，安全等級為3級。本文對一發(fā)電機備用轉子的存放支架應用振型分解反應譜分析方法進行抗震分析，地震載荷根據(jù)GB 50267-97核電廠抗震設計規(guī)范取值，采用GB 50017-2003鋼結構設計規(guī)范對其進行安全評定。

1 有限元分析

本文采用SAP2000 v15．1進行鋼結構支架的應力、穩(wěn)定與抗震分析。SAP2000尤其適用于結構的動力分析，在空間結構設計與分析領域內也占據(jù)重要地位。

1．1 結構概述

本文分析的對象是存放轉子的2個鋼架平臺及4根墊梁。發(fā)電機轉子加上運輸包裝箱的總重為110 t，它將存放在兩個由18號工字鋼、18號槽鋼組成的鋼架平臺上，4根墊梁由35 mm和20 mm的鋼板組成箱式梁，采用專用壓鐵及螺栓與各用轉子包裝底架固定為一體。轉子由這4根墊梁與2個鋼架平臺支撐，用橡膠板在墊梁與鋼架平臺之間隔墊、防滑。轉子的存放支架平臺的平面尺寸為7 300 mm×4 800 mm;存放的轉子設備長9 384 mm，寬4 290 mm，高3 340 mm，其自重G=110 t。鋼架平臺后視圖見圖1，鋼架平臺側視圖見圖2。

圖1 鋼架平臺后視圖

圖2 鋼架平臺側視圖

1．2 建立有限元模型

1．2．1 計算假定

1)所有桿件均為焊接，結構計算時連接部位均按照剛接進行考慮。

2)支架底部由于不具有平動和轉動自由度，按照固端約束進行考慮。

3)橫向承重梁在計算分析中沒有考慮加勁肋的作用，在穩(wěn)定驗算時進行考慮，強度計算時作為安全儲備。

1．2．2 計算模型

鋼結構支架中的桿件全部使用空間桿單元按照實際尺寸進行建模，承重橫梁和下部支架節(jié)點處鋼板使用薄殼模型，支架上荷載使用實體單元，定義密度使之達到110 t荷載。有限元模型見圖3。鋼材為Q235A1F，材性按照GB 50017-2003鋼結構設計規(guī)范進行取值。

圖3 備用轉子存放支架有限元模型

2 材料特性

鋼架平臺與墊梁所用的都是Q235A1F鋼，其材料特性見表1。

表1 Q235A1 F材料特性

3 載荷

在分析中，設備和橫向支撐梁的連接采用共同節(jié)點的方式進行荷載傳遞，將設備質量先傳到橫向支撐梁上，再向兩榀支架上進行傳遞;設備荷載按照密度進行定義，在dead荷載中將自重計算為1．0倍，豎向荷載即可計算;反應譜和模態(tài)分析使用SAP2000中的質量源進行定義，按照密度定義成質量進行計算(見圖4)。

圖4 反應譜函數(shù)定義

根據(jù)《核電廠抗震設計規(guī)范》關于設計反應譜的規(guī)定，取硬土場標準反應譜，其中豎向反應譜取標準反應譜的2/3，阻尼比為2%。地震反應譜見表2，計算中考慮了自重的影響。

表2 計算輸入反應譜(阻尼比2%)

4 應力限制

材料的應力評定準則見表3。

表3 應力評定準則(設計強度) MPa

5 分析結果及評定

5．1 振型分析

結構的各階振型的固有頻率見表4，振型圖分別見圖5～圖8。

表4 結構固有頻率

圖5 一階振型

圖6 二階振型

圖7 三階振型

圖8 四階振型

5．2 應力評定

在地震反應譜加自重的作用，最大變形發(fā)生在5號節(jié)點處，三個方向位移綜合考慮后最大位移為2．03 mm，發(fā)生在橫向支撐梁與設備相接處的兩端;最大應力均發(fā)生在桁架立柱處;最大負應力為－193．162 MPa，產(chǎn)生單元編號為 237，最大正應力為 180．702 MPa，產(chǎn)生單元編號為236，均小于許用應力215 MPa。另外加上自重工況的最大變形和位移。

5．3 穩(wěn)定性評定

對鋼架平臺高810 mm的18號工字鋼立柱，需要進行失穩(wěn)分析。工字鋼立柱的有效細長比k1/r=40．5＜200，滿足GB 50017-2003鋼結構設計規(guī)范中最大長徑比的要求。

工字鋼立柱的最大軸力發(fā)生桿件為87號單元，最大軸力為－220．752 kN，最大彎矩21．022 3 N·m，對于軸向壓縮與彎曲的組合應力，亦在18號工字鋼承載能力范圍之內。墊梁采用加勁肋設計，設備上面采用類似密鋪板，滿足整體穩(wěn)定要求。因為滿足規(guī)范的要求，所以工字鋼是穩(wěn)定的。

6 結語

根據(jù)《核電廠抗震設計規(guī)范》關于設計反應譜的規(guī)定，取硬土場標準反應譜，并考慮結構自重的影響，對發(fā)電機備用轉子的存放支架進行了應力、穩(wěn)定及抗震分析評定，結果表明，該支架滿足GB 50017-2003鋼結構設計規(guī)范要求。

［1］閆 冬．SAP2000結構工程分析及實例詳解［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［2］《機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》編寫組．機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1995．

［3］GB 50267-97，核電廠抗震設計規(guī)范［S］．

［4］GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范［S］．