单扇推拉生物屏蔽门抗震性能分析

王庆丰，聂凯璐，罗广恩，王 琪

（江苏科技大学，江苏 镇江 212000）

核能作为一种清洁高效能源，具有很高的安全性和经济性。核电厂由很多的构筑物、系统和部件所组成，其中门扇承担着核电厂构筑物的边界，需要维持所附着屏障的完整性，设计时需考虑重力、火灾、风荷载、飞射物碰撞以及地震载荷等，在这些荷载中地震荷载破坏力最大也是导致核泄漏的重要原因[1]。由于核电厂自身的特殊性需要对核电厂用门的抗震性能进行分析。中国核电工程有限公司的和丹等[2]对核电厂外通门要考虑的外部灾害做了详细的说明，抗震性能是其中重要的安全性指标。张善文等[3]以AP1000 核电站对开式普通钢质门为研究对象，运用谱分析法对其进行抗震性能分析和评估。结果表明，钢质门整体结构均能满足安全停堆抗震设计要求。李阳等[4]也对核电用热室密封门进行抗震计算分析，研究了门扇以及锁紧压板在正常工况（自重）、设计工况（自重+SSE）和事故工况（自重+OBE）下的抗震性能。本文在此基础上介绍了一种核电站用生物屏蔽门并使用ANSYS 对研究对象建立有限元模型，在考虑自重和极限安全地震动载荷组合工况下进行分析，然后进行验证并校核。

1 生物屏蔽门模型

1.1 结构及模型简介

拟制定此生物屏蔽门主要由门板面板、上轨道部件、下轨道部件和预埋件等组成的单行推拉门。门扇净通尺寸为4 200 mm×5 000 mm，面板是323 mm 厚钢板，门的总质量约为50 t。下部有行走轮与下轨道相连接，上部与上轨道接触，上轨道的挑梁焊接在预埋件上，每个预埋件有8 个预埋钩固定在墙体上。门扇下部装有电机与齿条，用于关闭及开启生物屏蔽门。门扇内部填充防火的膨胀珍珠岩，生物屏蔽门的结构如图1所示。此生物屏蔽门为抗震I 类设备，要求此门在关闭状态时整体应能承受极限安全地震动载荷（SL-2），确保整体结构和相关功能执行机构的完整性。

图1 生物屏蔽门的结构图

1.2 抗震分析模型

利用ANSYS 程序中建立生物屏蔽门有限元计算模型，如图2 所示，主要以门扇面板、上轨道部件等主要承载部件作为分析对象，应用solid 186 单元建模。大门关闭时，上轨道右侧有较长滑道，为方便建模，对该侧滑道长度进行了缩短，计算结果较为保守。对上轨道之间的连接进行节点耦合处理，门与上轨道部件连接面接触，预埋件上预埋钩所在位置、门下部与滑轮连接位置施加位移约束，电机齿轮处约束x 向位移，添加约束如图3 所示。有限元模型有单元75 038 个，节点20 253 个。

图2 生物屏蔽门有限元模型

图3 有限元约束图

1.3 材料参数

该生物屏蔽门面板、上轨道部件均采用Q235B 材料，查GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》[5]，得到Q235B 的力学性能见表1。

表1 材料的力学性能参数 MPa

2 载荷计算

生物屏蔽门在进行抗震分析时，需要考虑承受极限安全地震动载荷（SL-2）和外部风载荷的共同作用。

2.1 自重

自重载荷为垂直方向上的重力加速度g，g=9.81m·s-2。

2.2 外部风载荷

根据文件《厂址有关设计参数》给出风载荷值，保守考虑取极大风速71.4 m·s-1，将风速转化为基准龙卷风风压

式中：R0为空气密度，取1.293 kg·m-3；V 为极大风速，取71.4 m·s-1；K 为空气密度修正因子，取1.22。

龙卷风风压载荷

式中：K1为尺寸系数，取0.98；K2为风载体形系数，取0.8；W0为设计基准龙卷风风压。

安全起见，风压载荷方向水平指向厂房内。

2.3 地震载荷

当结构第一阶频率小于最大加速度对应的频率，则采用地震谱中最大加速度计算，将选取的加速度乘以1.5。如果第一阶频率大于最大加速度对应的频率小于截断频率，则用插值法计算出一阶频率对应的加速度值，将选取的加速度乘以1.5。如果第一阶频率大于截断频率33 Hz，直接按刚性加速度计算[1]。

本文中生物屏蔽门模型在进行抗震计算时首先进行模态分析，通过模态计算得到该屏蔽门的一阶固有频率为37.15 Hz，位于最大加速度对应的频率和截断频率之间，因此需要采用插值法计算加速度。根据地震谱图插值得到一阶频率对应的3 个方向的极限安全地震动峰值加速度分别为：x 方向0.71 g，y 方向0.63 g，z方向0.71 g，其中x 和y 方向为水平方向，z 方向为竖直方向。需要指出的是文件中的地震反应谱方向与本文模型中方向不一样，本文中生物屏蔽门模型水平方向为x 向和z 向，竖直方向为y 向。

根据上述条件，对本生物屏蔽门按照刚体进行等效静力法分析。在地震加速度峰值的基础上乘以静力系数1.5，选取4%阻尼比的反应谱值，计算得到设备在x/y/z 方向的地震加速度值，见表2，将计算结果通过SRSS 组合得到总的地震应力。

表2 生物屏蔽门计算采用加速度值 m·s-2

2.4 工况设置

根据规格书，对生物屏蔽门的抗震分析载荷作了要求，采用AISC N690—1994 中的事故工况。正常工况为自重，事故工况为自重+SL-2+风载荷。因此生物屏蔽门抗震分析时考虑自重、SL-2 载荷和外部风载荷的载荷组合情况，各工况的荷载组合见表3。

表3 各工况荷载组合

3 地震计算分析

3.1 应力限值

生物屏蔽门的门扇面板、上轨道梁按ASME BPVC-III-1—2001 的规定进行载荷组合和应力评定。ASME BPVC-III-1—2001 中的D 级使用限制（事故工况）进行评定。评定要求见表4。

表4 生物屏蔽门的应力限制和限值

3.2 应力计算及评定

将插值得到的加速度和风载荷按惯性力施加在此生物屏蔽门上，分别加载x/y/z 方向加速度值进行静力法分析，计算结果通过SRSS 组合得到总的地震应力。按照ASME N690—1994 和ASME BPVC-III-1—2001的规定进行组合和评定，如果生物屏蔽门在自重、极限安全地震动载荷（SL-2）和外部风载荷下的应力计算结果计算应力值与对应的应力限值之比小于等于1，则满足规范要求。

门扇面板、上轨道部件在设计工况下的应力组合和评定结果见表5，事故工况下的应力组合和评定结果见表6。

表5 生物屏蔽门各部件在设计工况的应力评定结果

表6 生物屏蔽门各部件在事故工况的应力评定结果

经过有限元分析计算，可得到生物屏蔽门的Mises等效应力图，如图4、图5 所示。根据应力图可以看出，在正常工况下，生物屏蔽门最大应力集中在下滑轮位置，门扇面板的最大应力值为1.57 MPa，上轨道部件的最大应力为1.01 MPa。在事故工况下，生物屏蔽门的最大应力在上轨道部件上。门扇面板的最大应力为18.8 MPa，上轨道部件的最大应力达到189 MPa。

图4 设计工况条件下各部件应力云图

图5 事故工况条件下各部件应力云图

根据表5 和表6 的评定结果可得，生物屏蔽门门扇和上轨道部件在设计工况下的计算应力值与对应的应力限值比值分别为0.01 和0.006，在事故工况下的应力比值分别为0.05 和0.49，均小于1。应力结果表明：生物屏蔽门能承受设计地震载荷，满足设计要求。

4 结论

本文对生物屏蔽门应用ANSYS 程序建立有限元模型，进行考虑自重、外部风载荷和极限安全地震动载荷（SL-2）组合的等效静力分析，计算得到门扇面板、上轨道部件的应力，并按照AISC N690—1994 和ASME BPVC-III-1—2001 的规定对应力进行评定。结论如下：

1）评定结果表明生物屏蔽门各部件的应力值都小于对应的限值，生物屏蔽门满足规范的设计要求。

2）本文对生物屏蔽门模型首先进行模态分析，通过一阶振型频率确定抗震分析方法为等效静力分析。等效静力法操作简单，工作量小，参数易于确定，可有效减少计算时间，在实际工程中适用于刚度较大、高度较低、结构简单的模型。

3）本设计方案的刚度较大，抗震性能良好，可以为核电厂外通门的设计提供参考。