核电站支吊架强度核算问题研究

□刘宏林

随着我国核电事业的迅速发展以及一些重大项目的建设施工的开展，日本福岛核事故引发的危机，对核电站管道支吊架的设计和计算提出了更高的要求。核电站管道支吊架数量巨大，为了保证管道支吊架的工作可靠性，美国ASME和法国RCCM法规明确规定必须对管道支吊架设计进行应力分析，一般的分析方法有：计算分析法、实验应力分析法和额定荷载法，计算分析法最为常用。本文对核电站支吊架将核电站管道支吊架计具有指导性意义，并提供设计依据。

一、支吊架强度核算现状

传统的支吊架设计中，标准支吊架的设计是根据预先评估过的《核电站标准支吊架手册》进行的，该设计手册编制和扩充需要大量的预先计算和评定，但在工程实践中，经常会碰到标准支吊架形式可以满足，但布置空间和条件不满足，或者支吊架结构形式比较复杂、受力分析比较困难的还需向力学专业提资，过程十分繁琐，计算周期长。

二、支吊架受力核算选型

(一)支吊架受力形式选型。核电站支吊架主要由根部、支吊架梁、连接件、管道管卡四大部分组成，连接件和管道管卡可以根据管道支吊架的功能和受力，查询已经鉴定合格的《核电站标准支吊架手册》选取，只有根部、支吊架梁需要核算受力是否满足要求。为了便于受力分析，根据压水堆核电站支吊架形式的汇总，可以把各种不同类型的支吊架简化分为几种常用的支吊架形式，例如单悬臂、双悬臂(L型)、简支梁、门型梁等，其他复杂类型的支吊架可以是以上两类或两类以上支架梁形式的组合，利用已有单悬臂结构构件的受力形式进行两重或多重组合，可以得到几种常用支吊架材料(槽钢、工字钢、圆钢)组装件的拉应力和剪应力经验公式(这里不做详细介绍)，避免混淆各个方向的受力和力矩以及截面系数和剪切面积值，也可以用EXCEL文件建立对应的函数公式建立支架核算程序，方便在支吊架强度核算时套用，提高核算速度。

单悬臂结构构件是众多支吊架结构形式的基础，通过分析单向受力的单悬臂结构形式的强度核算，尤其是开口类型钢结构构件，阐述大家在利用公式法，进行手工支吊架核算过程中容易忽略而导致计算结果错误的重要要素。

(二)型钢选型。槽钢是最常见的开口薄壁杆件，槽钢开口水平布置时，具有纵向对称面，当受力不是作用在对称面内时，由于开口薄壁杆件的抗扭刚度较小，容易发生变形，当受力通过横截面内的弯曲中心时，杆件只有弯曲而无扭转变形，若受力不通过槽钢的弯曲中心，除产生弯曲变形外，还将发生扭转变形，产生扭转切应力。查表可知槽10形心X轴坐标为15.2mm。在工程实际设计过程中，受力点一般选择在槽钢形心至长边边缘这段距离内，不通过弯曲中心，槽钢不但会弯曲变形，还将发生扭转变形，产生扭转切应力。故本次重点研究支吊架结构构件为槽钢的强度核算。

三、支吊架强度核算

支吊架强度计算主要是对支吊架结构中最弱点所受到拉(压)应力和剪应力的验证，一般有公式法和软件计算分析两种方法，而采用以上两种的方法的基础都是基于梁理论。

(一)公式法。手工支吊架强度计算公式采用材料力学中的正应力公式、剪应力公式、弯曲应力和扭转应力公式来计算支吊架梁的各种应力，这里不再详细介绍。

(二)软件强度计算。核电站非标准支吊架的力学分析大多采用有限元方法并借助有限元程序进行。对于系统管道支吊架，通常采用梁单元(Beam189)建立有限元简化模型，进行静力和动力计算，Beam189单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了扭转产生变形的影响，但只有适度的粗梁可以分析，推荐长细比要大于25。

软件分析采用ANSYS中的beaml89梁单元进行有限元建模，槽钢根部受力点选择在槽钢形心点附近。

(三)强度核算数据分析。以槽10为例，槽钢开口水平布置，受力点选择在槽钢形心附近，分析两种工况：

A.当槽钢长度L取400mm定值时，受力F为变值；

B.当受力F为定值时，长度满足长细比要求，且为变值。

根据材料力学相应的公式以及ANSYS有限元计算分析，分别得到不同工况槽钢根部的弯曲应力和剪应力值，以及两种不同分析方法分析结果的差值。通过计算结果比对可以看出，当受力不通过弯曲中心时，不但发生了弯曲变形，还发生扭转变形，公式法计算得出的剪应力与ANSYS有限元分析计算得出的结果差距很大，而两种不同分析方法得出的弯曲应力差值不大，基本可以忽略。

(四)应力比值系数。通过以上分析可以看出，公式法在强度核算时，没有考虑由于扭转变形产生的扭转剪应力，实际计算的剪应力偏小很多。通过有限元建模分析得到，当槽钢开口水平布置时，由于实际扭转变形产生了剪应力，现将两种不同分析得出的结果进行比值分析，看是否存在某种比例关系。

通过计算结果比对可以看出，ANSYS有限元分析计算得出的结果考虑了扭转剪应力，约是公式法结果的7.42倍，且与支吊架结构构件的长度无关。而扭转变形产生的弯曲应力变化不大，综合弯曲应力只是公式法的1.02倍，可以忽略。

利用以上同样的方法，可以得到其它几种常用槽钢开口水平布置、满足长细比要求公式法的附加剪应力系数如表1所示。

表1 槽钢水平布置公式法剪应力附加系数值

从表1可以看出，随着槽钢型号的增大，剪应力附加系数值也在不断增大，两者之间存在某种函数关系，曲线图如图1所示。

图1 槽钢剪应力附加系数图

四、结论与建议

本文通过对开口型单悬臂结构构件强度核算研究，阐述在核电站支吊架强度核算过程中,大家容易混淆或者忽视而导致计算结果有误的几个重要问题：第一，根据材料力学公式，推导出强度核算公式，避免在计算过程中，混淆不同方向上的截面系数、剪切面积值、受力及力矩值，也可以EXCEL文件制作一个小程序，方便以后核算使用。第二，支吊架结构构件选用开口薄壁构件，应满足梁的长细比要求，但杆件受力不通过型钢的弯曲中心时，考虑扭转变形产生的扭转切应力，将公式法得出的剪应力值应乘以一个附加系数。