橋吊車機械結構抗震方法簡析
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摘要:本文簡要介紹了ACP1000核電廠中燃料廠房人橋吊車在系統中的功能、設計準則、應力準則的選用。利用有限元軟件ANSYS16.0對其進行建模和分析，重點介紹了人橋吊車各機構模型簡化方法、邊界條件約束、計算方法選取。簡要給出了人橋吊車在抗震分析時所需分析的重點機械結構及按照準則對其進行評定。
關鍵詞：人橋吊車、應力準則、模型簡化、ANSY正文
1、概述
人橋吊車是燃料廠房內的主要燃料裝卸設備之一。它安裝在乏燃料水池上方25.30m標高的軌道上。人橋吊車類似于橋式吊車,用于在燃料廠房中沿X、Y、Z三個方向水下操作燃料組件和相關組件。在人橋吊車的小車上裝有一臺20kN起升機構,在大車走臺下懸掛著一個下部走臺。人橋吊車在充滿水的乏燃料貯存水池上方工作，池中裝有直立的乏燃料貯存格架和相關設備。利用懸掛在吊鉤上的長桿工具，在各種不同高度位置操作燃料組件及相關組件。
2、人橋吊車機械結構設計準則及應力準則
2.1機械結構設計準則
吊車的結構和機構是與安全有關的，能承受垂直方向和水平方向同時作用在吊車重心上的地震力。吊車的設計可使燃料組件在地震時不會跌落；并排除零部件掉到操作地面或乏燃料水池內的一切危險。大車和小車設防翻鉤，防止地震時脫軌。在地震時，不要求設備維持運行，但在地震后，所有部件經過檢修后能繼續運行。在特殊情況下，能通過手動操作來完成正在進行的燃料操作，并且不損壞燃料組件。
2.2抗震應力準則
人橋吊車可承受極限安全地震震動產生的載荷而不失效。地震和正常操作載荷的組合應力，通過動態分析來計算。抗震分析時，阻尼比：運行安全地震震動取2%，極限安全地震震動取4%；起升載荷取10kN。對于正常操作工況和事故超載情況下，吊車結構和有關支撐，以及起升設備的設計應力均小于材料抗拉強度極限的20%。正常載荷和運行安全地震震動產生的載荷的組合應力，均小于材料抗拉強度極限的30%。正常載荷和極限安全地震震動產生的載荷的組合應力，小于材料的屈服強度。
3、人橋吊車模型簡化
3.1小車簡化
設計出人橋吊車機械結構后，對其進行建模并質量簡化。對吊車總剛度影響不大的部件在模型中考慮為集中質量單元，便于建模和計算。卷筒，小車框架，主、從動輪等采用梁單元模擬，起升裝置和電機等采用集中質量單元模擬，水平輪采用剛度很大的彈簧單元模擬。
3.2懸掛走臺簡化
為減少地震對懸掛走臺的影響采用了特殊的結構設計。在橫向，走臺通過懸掛裝置懸掛在主梁下，水平方向與橋架主梁通過緩沖器連接。每個緩沖器的剛度K按下面的公式計算，實際剛度：HQ-A-9K=160000/0.12。在縱向，懸掛走臺與吊車通過轉軸和調節結構調節螺桿連接。調節螺桿設計為在地震作用下斷開，走臺可像鐘擺一樣自由擺動。鐘擺振動頻率為：
3.3橋架大車、大車軌道邊界條件
模型中的邊界條件由車輪功能和大車軌道功能來決定，大車軌道約束Ux、Uy、Uz、Rx、Ry和Rz；被動輪，耦合車輪和相應位置軌道位置Uz方向的自由度；主動輪耦合車輪和相應位置軌道位置Uy和Uz方向的自由度；水平導向輪，耦合車輪和相應位置軌道位置Ux方向的自由度。
3.4小車邊界條件
小車邊界條件通過耦合小車輪和大車主梁軌道上的相應位置來模擬：對小車被動輪，耦合Uz位移；對小車主動輪，耦合Ux和Uz位移；對導向輪，耦合Uy位移。
3.5計算方法
利用ANSYS16.0的前處理器建立人橋吊車有限元模型，對其進行自重和額定載荷作用下的靜態分析，在模態分析的基礎上用譜分析方法對其進行抗震計算。利用BlockLanczos方法進行模態分析，得到結構的前87階固有頻率和振型，結構有效質量為29.2噸，有效質量系數為0.986，考慮到反應譜高頻部分的質量丟失問題，進行了靜力修正，將人橋吊車的地震響應分為兩部分：周期反應和剛性反應。根據RG1.92(2006版)的要求，采用Lindley—YOW法+靜態零周期加速度法。結構的周期性反應采用的是CQC法計算。殘留剛性反應采用靜態ZPA法計算。對三個方向的地震譜分析結果按SRSS法進行組合，最后將譜值分析的結果與靜態分析結果進行線性疊加，按照相應的應力準則對結構進行評定依據要求計算三種狀態：-狀態1：小車帶10KN載荷位于跨端極限位置，吊鉤處于上部位置。-狀態2：小車帶10KN載荷位于主梁1/4處，吊鉤處于上部位置。-狀態3：小車帶10KN載位于跨中，吊鉤處于上部位置。
4、計算及應力評定
對于人橋吊車每一種狀態，從四方面進行抗震分析。結構固有頻率和振型：對結構進行模態分析，得到前87階固有頻率及振型。模態分析表明，結構前第87階固有頻率為41.4481HZ，已經涵蓋地震反應譜的柔性段頻率；同時，結構的主要響應方向為Y方向，在Y方向上有效質量系數為0.989099。位移響應和應力響應：施加地震載荷后，可分別算出人橋吊車橋架以及懸掛走臺在各種工況下的三個方向的位移和應力。大車和小車車輪輪壓：施加地震載荷后，可分別算出人橋吊車大、小車輪輪壓以及總輪壓（大車和小車水平輪輪壓可能大于實際數值）。大車和小車防翻鉤作用力：施加地震載荷后，可分別算出人橋吊車大、小車車輪行走上拋力，此時相應位置處防翻鉤對鋼軌有向上的拉力作用。對于人橋吊車的每一種狀態的計算結果，都須按照2.2節應力評定準則進行評定并滿足要求。
5、結論
本文采用有限元軟件ANSYS16.0建立了人橋吊車的三維有限元模型，對其進行了靜力分析，并在模態分析的基礎上用譜分析方法對其進行抗震計算，得到了結構在各種載荷下的位移和vonMises應力，以及運行車輪、水平輪輪壓和防翻鉤作用力。根據計算結果和分析，可得到以下結論：人橋吊車額定載荷作用下，橋架主梁位移小于橋架跨度的1/1000，滿足評定要求；人橋吊車在各種工況下應力滿足評定要求；人橋吊車在各種工況下應力滿足評定要求，滿足結構完整性要求。人橋吊車車輪與導軌在應力最大、軌道寬度尺寸最小的情況下應力與位移結果滿足評定要求。
作者:李云華 蘇子威 單位:中國核電工程有限公司核設備所