低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

（江蘇華冠電器集團(tuán)有限公司，常州 213000）

0 引言

核電是國(guó)際用電的主要來(lái)源之一，已經(jīng)成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的能源，同時(shí)，核電的安全也成為全世界最關(guān)心的問(wèn)題。切爾諾貝利事件、三里島事件、福島事件觸目驚心。作為容易發(fā)生且危害較大的地震災(zāi)害，是核電行業(yè)最為關(guān)注的事件，為了避免地震發(fā)生時(shí)核電廠的設(shè)備出現(xiàn)失效，就必須要保證核電廠抗震I類(lèi)設(shè)備的抗震能力達(dá)到在地震發(fā)生時(shí)和發(fā)生后仍能正常運(yùn)行。核電廠有大量的低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備需要滿足抗震I類(lèi)的要求，能可靠執(zhí)行其安全功能。文章以仿真軟件ANSYS Workbench進(jìn)行地震模擬，對(duì)低壓成套設(shè)備進(jìn)行抗震性能評(píng)估。

1 低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)

1.1 從總體形式上分

（1）固定式，開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部的主要電氣元件均為固定安裝，導(dǎo)電回路均采用螺栓連接。這種形式的開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部連接穩(wěn)定性及可靠性較高，但檢修比較麻煩，主要電氣元件及其連接回路一旦出現(xiàn)故障，就必須停電，檢修周期較長(zhǎng)。

（2）抽出式，開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部的主要電氣元件安裝在可抽出的抽屜單元中，抽屜單元與柜內(nèi)母線及其控制回路采用可插拔的滑動(dòng)連接。這種形式的開(kāi)關(guān)設(shè)備的滑動(dòng)連接部位是薄弱環(huán)節(jié)，較易因電流陡變、操作振動(dòng)、地震等因素，出現(xiàn)接觸不良而導(dǎo)致故障。但滑動(dòng)連接或電氣元件及其連接回路出現(xiàn)故障時(shí)，只需要抽出故障抽屜，插入同規(guī)格的完好抽屜，問(wèn)題就解決了，不會(huì)影響正常供電，大大提高了開(kāi)關(guān)設(shè)備的可用率，而故障抽屜可以返廠修理。抽出式開(kāi)關(guān)設(shè)備應(yīng)從設(shè)計(jì)、工藝、裝配精度等方面保證同規(guī)格抽屜的一致性、柜體的一致性，以確保抽屜的互換性[1]。

1.2 從柜體結(jié)構(gòu)工藝上分

（1）焊接式，焊接式柜體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，只要焊接工藝控制好，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗震性能很強(qiáng)。但它也有很明顯的缺點(diǎn)，即在焊接時(shí)容易出現(xiàn)尺寸誤差、變形等問(wèn)題，一旦誤差大于設(shè)計(jì)要求就很難進(jìn)行修正，柜體焊好后還需要進(jìn)行整體表面噴涂防腐。

為了保證焊接的誤差降到最低，要確保零部件材料的韌性達(dá)到足夠的要求，焊接過(guò)程的工藝控制包括焊材選用也很關(guān)鍵，還需要進(jìn)行防焊蝕墊的鋪設(shè)，防止焊接時(shí)對(duì)設(shè)備侵蝕。

（2）拼裝式，柜體零部件采用緊固件連接裝配。其優(yōu)勢(shì)有易調(diào)節(jié)、可直接采用表面處理過(guò)的防腐蝕板材加工、美觀、標(biāo)準(zhǔn)化、可預(yù)生產(chǎn)庫(kù)存、柜體尺寸精度高等。但連接點(diǎn)不如焊接牢固、柜體強(qiáng)度低、裝配繁瑣等。

拼裝式柜體對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求更高，需保證零部件的加工精度達(dá)標(biāo)、裝配順序合理、緊固件選用恰當(dāng)。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)設(shè)備的總體骨架大都為立柱加橫梁的框架結(jié)構(gòu)，拼裝不好易出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，要保證整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、對(duì)角線在誤差范圍內(nèi)、防止柜體在運(yùn)輸和震動(dòng)時(shí)的扭曲變形，當(dāng)然，柜體內(nèi)部的安裝板、頂板、底板、側(cè)封板等拼接合理也會(huì)增加開(kāi)關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]。

2 柜體結(jié)構(gòu)抗震分析

室內(nèi)安裝的低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備，以GB13625和GB50260為標(biāo)準(zhǔn)，使用動(dòng)態(tài)分析法和反應(yīng)譜分析法。以HAFJ0053和GB13625為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置邊界條件?；诤穗姀S地質(zhì)情況和建筑結(jié)構(gòu)，假設(shè)結(jié)構(gòu)是線彈性多自由度體系，我們決定采用振型分解反應(yīng)譜法為計(jì)算方法[3]。

（1）前處理。由于開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)安裝有復(fù)雜的框架斷路器、載流母線、絕緣支撐件等結(jié)構(gòu)，故而決定使用等重和等體積的立方體質(zhì)量塊作為替代品。在進(jìn)行開(kāi)關(guān)設(shè)備骨架計(jì)算時(shí)以板殼結(jié)構(gòu)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，建立CAE模型需要采用抽取中界面的方式。

經(jīng)分析，開(kāi)關(guān)設(shè)備所使用的材料主要是覆鋁鋅鋼板（骨架部分）和銅排（母線部分）。所以為了確保計(jì)算精度，在進(jìn)行操作時(shí)將網(wǎng)格均勻分成四邊形單元（在排除載荷的情況下邊長(zhǎng)是5 mm），針對(duì)于應(yīng)力梯度比較高的區(qū)域需要使用高階單元的方法進(jìn)行劃分。

（2）靜力分析。在進(jìn)行分析時(shí)，筆者采用將開(kāi)關(guān)設(shè)備的地震反應(yīng)譜的分析結(jié)果疊加結(jié)構(gòu)本身的靜力載荷。這是由于進(jìn)行分析時(shí)，開(kāi)關(guān)設(shè)備會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔枚l(fā)生剛度的變化，從而影響其原本的自振頻率，所以為了防止頻率的改變，筆者決定以靜力分析為開(kāi)頭步驟，繼而進(jìn)行反應(yīng)譜分析。針對(duì)于底部與地面的連接處添加垂直方向的重力加速度。

（3）模態(tài)分析。模態(tài)指機(jī)械結(jié)構(gòu)本身所具有的振動(dòng)特性，以其為基，可以展開(kāi)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的頻率和振型以及各方向的質(zhì)量參與系數(shù)的分析。筆者在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的約束。開(kāi)展了對(duì)前50階固有頻率的求解。

模態(tài)結(jié)果出來(lái)后，對(duì)其進(jìn)行分析，在水平方向上的X軸向和Y軸向的質(zhì)量參與系數(shù)為92.15%和89.63%，該結(jié)果符合GB50260標(biāo)準(zhǔn)。而在進(jìn)行前50階模態(tài)分析中，垂直方向的Z軸向沒(méi)有出現(xiàn)明顯的共振頻率（垂直方向的自振頻率大于50 Hz），所以在接下來(lái)的反應(yīng)譜合成中可以不再對(duì)其Z軸進(jìn)行分析。該結(jié)構(gòu)的第一平動(dòng)周期和扭轉(zhuǎn)周期分別是13 Hz和34 Hz。相鄰振型周期比是0.383，這個(gè)結(jié)果是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中的0.9，所以在接下來(lái)響應(yīng)譜分析中采用SRSS合成法。

（4）響應(yīng)普分析。針對(duì)于前面各階振型的模態(tài)分析結(jié)果，采用要求反應(yīng)譜（主要是加速度和頻率），進(jìn)行對(duì)結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)值的求解分析。設(shè)備所在建筑的樓層反應(yīng)譜如圖1所示，安全停堆SSE地震（它的幅值為標(biāo)準(zhǔn)的OBE地震的兩倍），阻尼比為5%，以SSE地震（選擇條件更加苛刻）作為激勵(lì)值進(jìn)行計(jì)算。

圖1 樓層反應(yīng)譜

（5）載荷合成及結(jié)果。在地震發(fā)生時(shí)，開(kāi)關(guān)設(shè)備需要承受來(lái)自樓面加速度造成的動(dòng)力響應(yīng)和本體靜力載荷的作用力。故而需要組合反應(yīng)譜分析與靜力分析的結(jié)果，分析顯示承重梁和結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力分別是207 Pa和242 Pa，在分析過(guò)程中，開(kāi)關(guān)設(shè)備的最大位移出現(xiàn)在柜頂區(qū)域，為2.9 mm。為避免出現(xiàn)承重梁受力過(guò)載或應(yīng)力集中的情況，在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)承重梁改變形狀或加固結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)設(shè)備的八個(gè)頂點(diǎn)，即柜體拼接的角落部位，增設(shè)角部件加以支撐，以分散應(yīng)力，防止扭曲或斷裂，角部件設(shè)計(jì)成三角形撐板為最佳。為降低地震載荷作用下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)慣性力，避免引起共振，需要提高開(kāi)關(guān)設(shè)備的本體結(jié)構(gòu)剛度，如改變立柱和橫梁的結(jié)構(gòu)形狀，或增加其板材厚度。

3 結(jié)束語(yǔ)

在SSE地震發(fā)生時(shí)，要求開(kāi)關(guān)設(shè)備主體結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件在彈性變形范圍內(nèi)，緊固件沒(méi)有明顯松動(dòng)，元器件和零部件沒(méi)有明顯位移或掉落，沒(méi)有出現(xiàn)柜體垮塌或者變形較大等問(wèn)題，證明柜體結(jié)構(gòu)剛度好，元器件安裝穩(wěn)定牢固并能正常操作運(yùn)行，才能滿足它在核電廠的使用要求。