電纜橋架抗震動態(tài)特性試驗及響應分析★

胡服全　朱翊洲　高文軍

(1．國核華清核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京　102209;　2．上海核工程研究設(shè)計院，上海　200233; 3．招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶　400067)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

電纜橋架抗震動態(tài)特性試驗及響應分析★

胡服全1朱翊洲2高文軍3

(1．國核華清核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司，北京102209;2．上海核工程研究設(shè)計院，上海200233; 3．招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶400067)

摘要:試驗研究了電纜橋架結(jié)構(gòu)的抗震動態(tài)特性，得到了電纜橋架的頻率和阻尼，分析了電纜橋架立柱的加速度、位移和應變變化規(guī)律，利用ANSYS建立有限元模型，對電纜橋架試驗工況進行時程分析，結(jié)果顯示，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相符，說明利用時程分析能較為準確地反映結(jié)構(gòu)動力響應。

關(guān)鍵詞:電纜橋架，模態(tài)分析，時程分析，抗震性能

地震是地球上的自然災害，給人類社會造成損失，甚至帶來了極大的災難。全球每年都發(fā)生地震，有不少地震給震區(qū)人民帶來巨大的生命財產(chǎn)損失。我國處在世界兩大地震帶之間，發(fā)生過許多破壞性很大的地震。比如1976年的唐山大地震，2008年的汶川大地震等，均造成重大人員傷亡及經(jīng)濟損失，因此有必要加強各種建筑及結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。核電站中用電纜橋架屬核安全三級、抗震Ⅰ類設(shè)備，必須具有良好的抗震性能，這是核電站在地震中安全運行或安全停堆的重要條件［1］，許多科研者對核電站用的鋼制電纜橋架抗震性能進行了研究［1，2］，但試驗研究較少。

本文以電纜橋架結(jié)構(gòu)為研究對象，進行了動態(tài)特性試驗及響應分析。研究結(jié)構(gòu)抗震需要了解結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要使結(jié)構(gòu)的振動頻率遠離固有頻率，從而減小振動影響。為了能夠較為準確的預測結(jié)構(gòu)的振動響應，通常需要使用有限元、統(tǒng)計能量法等數(shù)值計算方法對實際振動系統(tǒng)進行建模分析［3］。

1　動態(tài)特性試驗

1．1電纜橋架試件

試件模型結(jié)構(gòu)見圖l，電纜橋架試驗模型為Q235鋼結(jié)構(gòu)，試驗件包含立柱、橫梁和托板，總共三層。試驗件與支撐件通過厚板連接，固定螺栓為10．9級高強度螺栓。

圖1　電纜橋架模型

1．2試驗

對空載電纜橋架進行白噪聲激勵，白噪聲峰值加速度0．2g，分別進行X，Y向輸入，采集各測點加速度信號;對滿載電纜橋架進行白噪聲激勵，白噪聲峰值加速度為0．3g，進行X，Y，Z三向同時輸入，采集各測點加速度信號，利用隨機子空間法［4，5］進行模態(tài)識別，確定頻率和阻尼比。測量立柱上的振動加速度、位移和應變。

2　試驗結(jié)果

2．1頻率、阻尼分析

根據(jù)試驗測得的加速度，利用隨機子空間法進行模態(tài)識別，得空載電纜橋架X向整體振型第一階頻率7．31 Hz，Y向整體第一階頻率13．23 Hz，阻尼比3．2%;滿載電纜橋架X向整體振型第一階頻率4．7 Hz，Y向整體振型第一階頻率8．0 Hz，阻尼比3．6%。電纜橋架結(jié)構(gòu)頻率與載重有關(guān)，滿載時的頻率小于空載時，見表1。

表1　電纜橋架結(jié)構(gòu)頻率

2．2加速度響應分析

對滿載電纜橋架的加速度響應進行分析，得到1號，2號，3號，4號立柱頂部測點X向、Y向、Z向峰值加速度放大系數(shù)，見圖2。

圖2　峰值加速度的放大系數(shù)

X向的放大系數(shù)最大，Y向的放大系數(shù)次之，Z向的放大系數(shù)最小，同一方向不同立柱的放大系數(shù)偏差不大。其中加速度峰值放大系數(shù)為測量的加速度峰值與輸入地震臺的加速度峰值之比。

2．3位移響應分析

對滿載電纜橋架的位移響應進行分析，得到滿載的電纜橋架1號立柱上(立柱頂部)、中(立柱與第二層托板交叉處)、下(立柱根部)三處測點的X向位移時程，見圖3，1號柱X向上測點位移最大，中測點位移次之，下測點位移最小。

圖3　X向位移時程試驗結(jié)果

2．4應變響應分析

對滿載電纜橋架的應變響應進行分析，得到不同立柱的Z向彎曲應變，見圖4，可知1號柱比3號柱Z向彎曲應變略大些。

圖4　不同立柱Z向彎曲應變時程試驗結(jié)果

3　動力時程分析

3．1有限元模型建立

采用ANSYS建立有限元模型，建模中進行了簡化處理，電纜橋架模型中托板及底座采用Shell63單元，立柱與橫梁采用Beam4單元，螺栓采用Beam188單元，電纜橋架有限元模型見圖5。

圖5　電纜橋架有限元模型

3．2時程分析

對滿載電纜的電纜橋架試驗工況進行模擬，以地震臺面X，Y，Z加速度時程作為模擬載荷輸入，所用阻尼比由試驗得為3．6%。時程分析得到1號立柱上中下三處測點X向位移時程，見圖6。

圖6　X向位移時程模擬結(jié)果

由圖6可知:1號柱X向上測點位移最大，中測點位移次之，下測點位移最小。時程分析得到不同立柱的Z向彎曲應變比較，見圖7，1號柱比3號柱稍大些。

圖7　立柱Z向彎曲應變時程模擬結(jié)果

3．3與試驗結(jié)果對比分析

試驗與模擬均得到:1號柱X向上測點位移最大，中測點位移次之，下測點位移最小，即立柱的振動位移從上至下減小;立柱根部彎曲應變最大，不同立柱Z向彎曲應變值偏差較小。電纜橋架在振動中是否會損傷，主要取決于最大彎曲應變是否超限，所以只比較彎曲應變和振動位移大的測點。對1號柱頂部測點X向模擬位移時程與試驗位移時程進行比較，見圖8。由圖8可知，模擬與試驗結(jié)果的位移變化趨勢一致，不同時刻的位移值偏差也較小。

圖8　1號柱頂部X向位移時程模擬與試驗比較

對1號柱根部測點Z向模擬得到的彎曲應變時程與試驗得到的彎曲應變時程進行比較，見圖9。由圖9可知，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的彎曲應變變化趨勢一致，不同時刻的彎曲應變值偏差也較小。綜上所述，理論結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，兩者相互印證，說明建立的電纜橋架模型符合工程實際，利用時程分析可以較為準確地反映結(jié)構(gòu)動力響應。

圖9　1號柱根部Z向彎曲應變時程模擬與試驗比較

4　結(jié)語

本文對電纜橋架進行了抗震動態(tài)特性試驗及響應分析，分析了電纜橋架立柱上的振動加速度、位移和應變變化規(guī)律，建立有限元模型，對試驗工況進行時程分析，并與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果顯示結(jié)果相符，兩者相互印證，對電纜橋架設(shè)計具有參考價值。

參考文獻:

［1］楊德生，孫柏濤，胡少卿．核電站用鋼制梯架式電纜橋架抗震性能研究［J］．世界地震工程，2008，24(2):54-59．

［2］陳文強．AP1000設(shè)備抗震鑒定要求與核級電纜橋架的抗震性能鑒定［J］．硅谷，2012(11):160-162．

［3］Lyon R H，Madanik G．Power flow between linearly coupled oscillators［J］．The Journal of the Acoustical Society of America，1961，34(5):623-639．

［4］李慧，周晶，杜永峰，等．隨機子空間法參數(shù)識別與有限元分析［J］．低溫建筑技術(shù)，2008，125(5):46-48．

［5］張敏，趙青，黃俐．模擬環(huán)境激勵下鋼管混凝土拱橋模態(tài)分析［J］．山西建筑，2013，39(1):134-135．

中圖分類號:TU352

文獻標識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0026-02

收稿日期:2016-04-03 ★:國家科技重大專項經(jīng)費資助項目(項目編號:2012ZX06004-012)

作者簡介:胡服全(1978-)，男，工程師

Dynamic characteristics test and response analysis of cable tray structure★

Hu Fuquan1Zhu Yizhou2Gao Wenjun3
(1．State Nuclear Power Technology Research＆Development Centre，Beijing 102209，China; 2．Shanghai Nuclear Engineering Research＆Design Institute，Shanghai 200233，China; 3．China Merchants Chongqing Communications Technology Research＆Design Institute Co．，Ltd，Chongqing 400067，China)

Abstract:Dynamic characteristic test of the cable tray structure had been studied，the frequency and damping of cable tray were obtainted，the change rule of vibration acceleration displacement and strain were discussed．The finite element model was established by using ANSYS for time history analysis，it shows that the simulation and the experimental result is consistent，the time history analysis can accurately reflect the dynamic characteristics of the cable tray structure．

Key words:cable tray，modal analysis，time history analysis，seismic performance