為保證一體化堆頂組件山東電纜橋架在壽期內的結構完整性，應用ANSYS程序對其進行靜力分析、模態分析和動載荷作用下的反應譜分析。模態分析采用子空間迭代法計算得到結構的固有頻率、振型和參與質量。運用譜分析法進行安全停堆地震SSE及設計基準管道破裂DBPB載荷下的動態反應分析，得到結構的應力分布及動態反應值，采用平方和平方根法(SRSS)進行組合，評定結果表明該結構滿足規范有關應力限制要求，可為該設備的在役檢查和維修提供依據。

　　1 引言

　　20世紀后期隨著計算機技術的快速發展，計算機輔助工程(CAE)技術逐漸成為工程應用的主要工具。該技術已被廣泛應用于汽車、高速列車、起重機等領域的結構分析中。在我國核電廠主設備的結構和熱工水力分析中，CAE分析技術亦已成為當前核島主設備設計分析的關鍵工具，并在核電廠設冷熱交換器、壓力容器、行星減速箱的應力及疲勞分析中發揮著重要作用。一體化堆頂組件(IHP)是第三代AP1000核電廠反應堆本體設備的重要設備之一，它將傳統核電站中的功能分散的堆頂組合件及反應堆堆芯測量系統等集成在一起，實現了停堆換料期間的壓力容器頂蓋與堆頂組件的整體吊裝、轉移和存放，大大縮短了反應堆的換料時間。電纜橋架安裝在一體化堆頂組件上，主要用于支承通向反應堆廠房操作平臺的電纜。在反應堆正常運行期間，山東電纜橋架擱置在反應堆廠房操作平臺上，如圖1所示。當停堆換料需拆卸壓力容器頂蓋時，電纜橋架可被提升并與頂蓋組件一同吊裝，如圖2所示。

　　應用ANSYS程序對電纜橋架建模，并進行自重載荷、活動載荷下的靜力分析、模態分析和地震SSE載荷和DBPB載荷下的動態反應譜分析。根據應力計算結果找出橋架結構薄弱部位，提出結構改進方案，并按照規范對各構件進行了應力評定。

　　

 

　　圖1 電纜橋架擱置于操作臺上

　　Fig.1 Cable Bridge on the Operating Deck

　　

 

　　圖2 電纜橋架升起狀態

　　Fig.2 Cable Bridge in the Up Position

　　2 計算輸入

　　山東電纜橋架為抗震II類設備，主要用來支撐堆頂設備電纜(包括1E級和非1E級電纜)，框架結構由主梁、橫梁、加強梁等線型構件和5條電纜托盤組成，分析時需考慮自重載荷D、起吊時沖擊載荷I、活動載荷L、設計基準管道破裂載荷(DBPB)和安全停堆地震載荷(SSE)，起吊沖擊載荷保守選用5%的自重載荷作為輸入。現場載荷為沿蓋板4800Pa的壓力載荷和任意位置1112N的集中力載荷。

　　電纜橋架北端在豎直方向上支撐于操作臺上，南端則由兩個銷釘連接于堆頂工作平臺上，水平方向SSE載荷不影響橋架結構，因此水平方向取用DBPB反應譜，豎直方向取用SSE和DBPB響應譜的包絡譜。電纜橋架豎直方向上包絡的地震加速度反應譜，如圖3所示。電纜橋架結構分析的載荷組合，如表1所示。

　　

 

　　圖3 包絡反應譜(豎直方向)

　　Fig.3 Enveloped Response Spectrum(Vertical Direction)

　　表1 載荷組合

　　Tab.1 Load Combinations

　　

 

　　3 計算模型

　　根據AP1000一體化堆頂組件電纜橋架結構，以橋架轉動軸中點為原點建立模型.采用ANSYS程序中梁單元(BEAM4)模擬橫梁、電纜支架等線型部件，板殼單元(SHELL63)模擬蓋板及臺階面板，扶手、折疊臺階等部件則以集中質量(MASS21)附加于相應節點上。反應堆處于運行狀態下電纜橋架在水平位置的模型，如圖4所示。橋架提升時的模型，如圖5所示。橋架提升完畢后固定時的模型，如圖6所示。

　　

 

　　圖4 橋架處水平位置

　　Fig.4 Bridge in Horizontal Position

　　

 

　　圖5 橋架提升時

　　Fig.5 Bridge Lifting

　　

 

　　圖6 橋架提升后固定時

　　Fig.6 Bridge Lifted

　　山東電纜橋架通過兩個銷釘與工作平臺連接，2點X，Y軸轉動約束。當反應堆處于運行狀態時，橋架降下處于水平位置且其北端擱于操作臺上，8個支腳通過旋轉螺母與操作臺豎直方向上固定;在停堆換料期間電纜橋架需要借助堆頂絞盤系統從水平位置上升到豎直位置(約80°)，當橋架開始升起、支腳剛離開操作平臺時，橋架處于最大負荷，此時橋架的全部重量加載于絞盤系統和連接在工作平臺的兩枚銷釘處;橋架在升起位置由兩根拉桿與工作平臺連接，此時絞盤纜繩的拉力最小，因此此位置只考慮自重載荷，無需評定Level D工況載荷。電纜橋架在各使用限制下的約束條件，如表2所示。

　　表2 電纜橋架約束條件

　　Tab.2 Constraint Conditions of Cable Bridge

　　

 

　　4 模態分析

　　本節采用子空間迭代法(SUBSPACE)對該電纜橋架進行了模態分析，計算了80階模態，得到了結構的固有頻率和振型，運行工況下橋架模型的總質量為4355.8kg，設計總質量為4406.2kg，選取了部分的固有頻率，如表3所示。如圖7～圖9所示，顯示了該電纜橋架第1、3、2階振型，分別對應X，Y，Z方向上的整體振動。

　　表3 部分固有頻率

　　Tab.3 Part of the Natural Frequencies

　　

 

　　

 

　　圖7 第1階模態振型(X方向)

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

　　

 

　　圖8 第3階模態振型(Y方向)

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

　　

 

　　圖9 第2階模態振型(Z方向)

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

　　5 應力評定

　　電纜橋架主體框架的材料采用Q345B，根據ANSI/AISC N690，電纜橋架線型構件在各使用限制條件下的應力限值，如表4所示。AP1000一體化堆頂電纜橋架各線性構件的應力評定結果，如表6所示。電纜橋架在SSE+DBPB載荷下拉應力及彎曲應力云圖，如圖10、圖11所示。

　　表4 線型構件應力限值

　　Tab.4 Allowable Stress of Linear-Type Components

　　

 

　　表5 各線型構件應力評定結果

　　Tab.5 Stress Evaluation Results of Linear-Type Components

　　

 

　　

 

　　圖10 SSE+DBPB載荷下拉應力

　　Fig.10 Tension Stress for SSE+DBPB Load

　　

 

　　圖11 SSE+DBPB載荷下彎曲應力

　　Fig.11 Bending Stress for SSE+DBPB Load

　　6 結論

　　運用有限元分析方法，對AP1000一體化堆頂電纜橋架進行了結構分析，根據核電廠實際運行情況考慮了自重載荷、現場載荷、起吊沖擊載荷、DBPB載荷和SSE載荷，應用子空間迭代法進行模態分析，得到結構的固有頻率，并進行響應譜分析，得到結構在各載荷組合下的應力分布，最大應力主要集中于豎直梁與水平梁連接處，分析結果表明該山東電纜橋架結構符合ANSI/AISCN690規范的有關應力限值要求，可為該設備的在役檢查和維修提供依據。

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