桥吊车机械结构抗震方法简析

摘要:本文简要介绍了ACP1000核电厂中燃料厂房人桥吊车在系统中的功能、设计准则、应力准则的选用。利用有限元软件ANSYS16.0对其进行建模和分析，重点介绍了人桥吊车各机构模型简化方法、边界条件约束、计算方法选取。简要给出了人桥吊车在抗震分析时所需分析的重点机械结构及按照准则对其进行评定。

关键词：人桥吊车、应力准则、模型简化、ANSY正文

1、概述

人桥吊车是燃料厂房内的主要燃料装卸设备之一。它安装在乏燃料水池上方25.30m标高的轨道上。人桥吊车类似于桥式吊车,用于在燃料厂房中沿X、Y、Z三个方向水下操作燃料组件和相关组件。在人桥吊车的小车上装有一台20kN起升机构,在大车走台下悬挂着一个下部走台。人桥吊车在充满水的乏燃料贮存水池上方工作，池中装有直立的乏燃料贮存格架和相关设备。利用悬挂在吊钩上的长杆工具，在各种不同高度位置操作燃料组件及相关组件。

2、人桥吊车机械结构设计准则及应力准则

2.1机械结构设计准则

吊车的结构和机构是与安全有关的，能承受垂直方向和水平方向同时作用在吊车重心上的地震力。吊车的设计可使燃料组件在地震时不会跌落；并排除零部件掉到操作地面或乏燃料水池内的一切危险。大车和小车设防翻钩，防止地震时脱轨。在地震时，不要求设备维持运行，但在地震后，所有部件经过检修后能继续运行。在特殊情况下，能通过手动操作来完成正在进行的燃料操作，并且不损坏燃料组件。

2.2抗震应力准则

人桥吊车可承受极限安全地震震动产生的载荷而不失效。地震和正常操作载荷的组合应力，通过动态分析来计算。抗震分析时，阻尼比：运行安全地震震动取2%，极限安全地震震动取4%；起升载荷取10kN。对于正常操作工况和事故超载情况下，吊车结构和有关支撑，以及起升设备的设计应力均小于材料抗拉强度极限的20%。正常载荷和运行安全地震震动产生的载荷的组合应力，均小于材料抗拉强度极限的30%。正常载荷和极限安全地震震动产生的载荷的组合应力，小于材料的屈服强度。

3、人桥吊车模型简化

3.1小车简化

设计出人桥吊车机械结构后，对其进行建模并质量简化。对吊车总刚度影响不大的部件在模型中考虑为集中质量单元，便于建模和计算。卷筒，小车框架，主、从动轮等采用梁单元模拟，起升装置和电机等采用集中质量单元模拟，水平轮采用刚度很大的弹簧单元模拟。

3.2悬挂走台简化

为减少地震对悬挂走台的影响采用了特殊的结构设计。在横向，走台通过悬挂装置悬挂在主梁下，水平方向与桥架主梁通过缓冲器连接。每个缓冲器的刚度K按下面的公式计算，实际刚度：HQ-A-9K=160000/0.12。在纵向，悬挂走台与吊车通过转轴和调节结构调节螺杆连接。调节螺杆设计为在地震作用下断开，走台可像钟摆一样自由摆动。钟摆振动频率为：

3.3桥架大车、大车轨道边界条件

模型中的边界条件由车轮功能和大车轨道功能来决定，大车轨道约束Ux、Uy、Uz、Rx、Ry和Rz；被动轮，耦合车轮和相应位置轨道位置Uz方向的自由度；主动轮耦合车轮和相应位置轨道位置Uy和Uz方向的自由度；水平导向轮，耦合车轮和相应位置轨道位置Ux方向的自由度。

3.4小车边界条件

小车边界条件通过耦合小车轮和大车主梁轨道上的相应位置来模拟：对小车被动轮，耦合Uz位移；对小车主动轮，耦合Ux和Uz位移；对导向轮，耦合Uy位移。

3.5计算方法

利用ANSYS16.0的前处理器建立人桥吊车有限元模型，对其进行自重和额定载荷作用下的静态分析，在模态分析的基础上用谱分析方法对其进行抗震计算。利用BlockLanczos方法进行模态分析，得到结构的前87阶固有频率和振型，结构有效质量为29.2吨，有效质量系数为0.986，考虑到反应谱高频部分的质量丢失问题，进行了静力修正，将人桥吊车的地震响应分为两部分：周期反应和刚性反应。根据RG1.92(2006版)的要求，采用Lindley—YOW法+静态零周期加速度法。结构的周期性反应采用的是CQC法计算。残留刚性反应采用静态ZPA法计算。对三个方向的地震谱分析结果按SRSS法进行组合，最后将谱值分析的结果与静态分析结果进行线性叠加，按照相应的应力准则对结构进行评定依据要求计算三种状态：-状态1：小车带10KN载荷位于跨端极限位置，吊钩处于上部位置。-状态2：小车带10KN载荷位于主梁1/4处，吊钩处于上部位置。-状态3：小车带10KN载位于跨中，吊钩处于上部位置。

4、计算及应力评定

对于人桥吊车每一种状态，从四方面进行抗震分析。结构固有频率和振型：对结构进行模态分析，得到前87阶固有频率及振型。模态分析表明，结构前第87阶固有频率为41.4481HZ，已经涵盖地震反应谱的柔性段频率；同时，结构的主要响应方向为Y方向，在Y方向上有效质量系数为0.989099。位移响应和应力响应：施加地震载荷后，可分别算出人桥吊车桥架以及悬挂走台在各种工况下的三个方向的位移和应力。大车和小车车轮轮压：施加地震载荷后，可分别算出人桥吊车大、小车轮轮压以及总轮压（大车和小车水平轮轮压可能大于实际数值）。大车和小车防翻钩作用力：施加地震载荷后，可分别算出人桥吊车大、小车车轮行走上抛力，此时相应位置处防翻钩对钢轨有向上的拉力作用。对于人桥吊车的每一种状态的计算结果，都须按照2.2节应力评定准则进行评定并满足要求。

5、结论

本文采用有限元软件ANSYS16.0建立了人桥吊车的三维有限元模型，对其进行了静力分析，并在模态分析的基础上用谱分析方法对其进行抗震计算，得到了结构在各种载荷下的位移和vonMises应力，以及运行车轮、水平轮轮压和防翻钩作用力。根据计算结果和分析，可得到以下结论：人桥吊车额定载荷作用下，桥架主梁位移小于桥架跨度的1/1000，满足评定要求；人桥吊车在各种工况下应力满足评定要求；人桥吊车在各种工况下应力满足评定要求，满足结构完整性要求。人桥吊车车轮与导轨在应力最大、轨道宽度尺寸最小的情况下应力与位移结果满足评定要求。

作者:李云华 苏子威 单位:中国核电工程有限公司核设备所