核化工厂房设备室企口形盖板受力分析及设计建议

张志

摘 要：核化工厂的设备室顶板上需要使用很多企口形盖板，以满足防护辐射的需要。而盖板受力情况与防护辐射有密切联系，因此本文采用有限元分析软件构建T形和Z形盖板模型并展开计算，然后从地震和自振两个方面分析T形盖板和Z形盖板的承载力以及位移分布规律并提出了相应的设计建议。

关键词：盖板；自振频率；地震分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.012

核辐射安全问题是核化工同普通工业建筑不同的最大区别，在工程设计中通常遵循密封性原则。由于在设计盖板尺寸时一般以工艺技术来确定，对各种工况下砼盖板的力学性能是否与防护辐射要求相符欠缺分析。又因为有关规范没有统一规定盖板构造的标准，所以对核化工厂设备室企口形盖板的受力状况展开分析十分必要。

1 计算模型

（1）计算模型。为了使计算更为简便，仅仅分析二级盖板。工程上常见的有Z型、T型和倒T型企口样式的二级盖板，在小型设备的吊装孔或者人孔中可单独应用T形盖板，而Z形盖板无法单独应用而是同T形或者倒T形盖板相互搭接使用。本文采用有限元软件进行有限实体模型的构建并展开计算，ANSYS作为兼容性的有限元软件，普遍应用在核工程领域中。对约束盖板进行模拟时采用的采用模型的仅受压单元link10单元，而混凝土盖板用Solid45单元来模拟，并且通过施加给模拟不同的重力来实现有限元计算。

（2）计算参数。在模型Link10单元中的压缩模量应与混凝土盖板数值相同，也就是，混合泊松比为0.2，密度为2700kg/m3，结构阻尼比为0.05。

2 企口形盖板受力分析

（1）自振分析。据有关分析得知，盖板跨度的不断加大，盖板的自振频率随之降低，大跨度盖板可更为灵敏感知到振动。当盖板跨度在5米以内时，Z形盖板比T形盖板的自振频率低，这主要是因为竖向约束力均匀的在T形盖板周围施加力所致，而这时盖板孔和T形盖板分别约束着Z形板的一侧支承边，非但如此，这两个对T形盖板的约束力是截然相反的两个力，导致T形盖板刚度比Z形盖板的刚度强。

当跨度大于5米，Z和T形状盖板的自振频率都会降低，并且保持在低于100Hz，当盖板自振频率要低于100Hz时，在竖向地震以及谐振生成的附加荷载影响下，盖板的竖向位移和内部作用力都会快速增长，使防护辐射处在恶劣环境中。在核化工厂内，部分检修设备会有离心振动产生，同时风机等振动频率高的离心设施也会布局在设备室外，通常离心式风机频率一般是在15到150Hz徘徊，假若设备室同离心式设备间距离较近，振动频率高的设备会把显著的谐振激励传递给大跨度盖板。

旋转型机器的干扰R的公式为：

在公式中最大干扰力为，单位为N；干扰源频率为，单位为rad/s；当量偏心距为，单位为mm；设备旋转零件的总重量为，单位为kg；机器旋转速度为，单位为。

以上述公式为据，谐振激励是由每分钟3000转的风机所形成的干扰力输入到模型中，可以得出，三米以上的盖板受到震动敏感度较强，在图1中，是5米T形盖板从其支撑处点-自振频率的曲线，在这个图中得出，每分3000转速的风机50Hz的震动频率时，位移4毫米，当风机在每分钟3000转的旋转速度时，盖板移动不利于防护辐射工作。故此，如果在设备的影响区间内（6米到12米之内）布置盖板，就必须对设备做好隔震消振措施。假若无法符合要求，应当在盖板孔和盖板间设定方便开启的安全连接，确保约束增加，从而使盖板受到共振的影响力降低。

（2）地震分析。Z形和T形盖板受到竖向地震的影响会有产生相应的位移。如果T形盖板跨度在4米之内，它的位移值远远在自振频率的高频段数值之外，并且有较大的数值。假若盖板跨度在3米，在反应谱激励下可以最大移动20毫米以上，不过200Hz之内可以忽略其振动，因为高频段中只有极小的地震力，我们可以说T形盖板在安全范围内。假若跨度要在4米之外时，因为本身降低了自振频率，较低频率位置极有可能有较大位移发生；针对跨度在5米的盖板，频率在50Hz时就已经有3毫米的位移，T形盖板处在防护辐射十分不利的状态。

之于Z形盖板而言，在与T形盖板有一样的跨度时，自振频率比相同重量的T形盖板小或者相同，也就是说Z形盖板产生振动比T形盖板更为容易。超过三米跨度的Z盖板即便是频率较小时，竖向位移依然较大。在50Hz时盖板跨度在3米时，就已经有了2毫米的竖向位移，而当频率大于200Hz时竖向位移就会快速加大，当频率达到300Hz时最大位移可达16毫米。

3 设计施工建议

T盖板在竖向荷载影响下较为匀实的分布应力，同时支承处仅有极小的应力。当盖板有三米的跨度时，它的分阶支承位置第一主应力是0.11Mpa的压力。故此，只要把配筋构筑在分阶支承位置就行。然而Z盖板的局部应力有较大值，在竖向负载影响下盖板应力最大值可达到1.1Mpa，与砼的抵抗拉力差不多。如果对检修、地震、竖向负荷之和进行考虑，Z盖板分阶支承位置所产生的拉应力势必会大于砼的抵抗拉力的强度，所以必须把受力钢筋安置在此处。

4 结语

综上所述，核化工厂设备室企口形盖板通常有不小于100Hz的自振频率，刚性良好，盖板跨度增大其自振频率会迅速降低，当盖板有较大跨度时，盖板势必会受到地震和设备振动较大影响。这就需要对Z形和T形盖板做好消振和减振措施，并尽可能使盖板孔与振动频率高的设备隔开一定的距离。

参考文献：

[1]张景寓，尹晓展.核化工厂房设备室企口形盖板受力分析及设计建议[J].原子能科学技术，2013（08）：1468-1472.