临界装置台架抗震分析与螺栓强度校核

张建松，梅华平，何梅生，胡家海，李桃生

(1.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230027)

1 引 言

临界装置是开展基础核数据检验、验证堆芯设计合理性的重要工具，是新型核反应堆系统研发必不可少的试验平台。台架是临界装置反应堆容器、反应性控制系统、核测量系统等核心部件的支撑平台，按照核安全设备管理要求，其机械强度必须满足抗震I类物项的设计要求。

本文针对临界装置台架设计要求，提出了一种钢管支腿支撑的薄板台架结构。为了保证在地震工况下台架结构的完整性和安装的牢固性，利用有限元方法对台架进行了抗震分析，同时对地脚螺栓进行了选型与校核。研究结果对今后类似台架的设计、优化等均有一定的参考价值。

2 台架方案

临界装置台架设计采用钢管支腿支撑的薄板台架结构，材料为常见的Q235碳素体结构钢，材料刚度大，屈服强度值高，焊接工艺成熟。台架由主、副台架组装焊接而成，如图1所示。主台架主要用于承载临界装置反应堆容器，副台架主要用于安装堆外核测量系统及人员通道等，设计采用移动登高梯实现工作人员上下平台。

(a)方案一

(b)方案二图1 台架结构示意图

主台架台面厚度为30mm，长×宽为2m×2m，副台架台面厚度为5mm，长×宽为5m×5m，中间留有2m×2m的矩形孔用于安装主台架台面，主台架台面底面与副台架台面底面平齐。主台架台面中心预留直径600mm的通孔，用于安装反射层解体停堆机构。主台架台面下方焊接4根长×宽为200mm×200mm、壁厚12mm、高度为1.8m的支腿，副台架台面下方焊接8根同样规格的支腿。相邻支腿之间焊接工字钢作为加强结构，工字钢上表面同相应位置的台面焊接，其宽×高为102mm×200mm，上下翼面厚度为11.4mm，腰板厚度为12mm。12根支腿下方均焊接有长×宽为320mm×300mm、厚度为10mm的钢板底座，每块钢板底座上预留4个直径为24mm的通孔，用于连接地脚螺栓。副台架台面外侧设计有安全护栏。

为探讨加强筋对钢管支腿支撑的薄板台架结构的影响，本文设计对比了无加强筋(图1中方案一)和有加强筋(图1中方案二)两种方案，方案二较方案一在台架支腿和工字钢连接位置增加了24根L形加强筋。台架总质量由方案一的4187.8kg增加至4283.8kg。

3 台架抗震分析

3.1 计算模型

利用ANSYS Workbench软件，按照临界装置台架结构尺寸，1∶1构建了台架计算模型，如图2所示。计算模型划分网格时，主体网格为面映射网格[1]，其中，两种方案的主台架台面上附加质量部分的网格利用膨胀层方式生成。方案一网格数量为326517个，节点数为2231407个，方案二网格数量为453187个，节点数为2493901个，两种方案的网格质量均在0.9以上。反应堆容器的质量为5.11t，对台架结构性能的影响通过附加质量5.2t(偏保守)体现，护栏的质量很轻，计算过程中忽略其对强度的影响。计算分析时采用室温下材料的性能参数，详见表1。

(a) 方案一网格模型

(b) 方案二网格模型

(c)附加质量施加示意图图2 台架计算模型

表1 台架材料参数

3.2 模态分析

对两种方案的台架进行了模态分析，通过固定钢板底座的48个螺栓孔面，计算提取了台架前十阶的固有频率，结果见表2(注：因部分有效质量比极小，所以视为0.00%)。可以看出，在X、Y、Z三个方向上，台架前十阶模态的有效质量比之和均大于90%。考虑附加质量时，方案一的基态频率为17.36Hz，基态频率偏低表明台架抗震性能较低，方案二的基态频率为21.62Hz，抗震性能有所提升。由频率与质量、刚度的关系可知，质量升高导致固有频率降低，但方案二中通过增加加强筋提高了台架整体刚度，增大了台架固有频率，表明加强筋刚度对固有频率的影响明显大于其质量对固有频率的影响。

表2 两种方案前10阶模态参数

从表2可以看出，各方向激发有效质量比主要集中在前三阶模态，图3、图4给出了两种方案前三阶模态情况。可以看出，方案一中，一阶振型主要沿水平X方向，二阶振型主要沿水平Y方向，三阶振型在主台架圆孔处沿垂直Z方向振动。方案二中，一阶振型在主台架圆孔处沿垂直Z方向振动，二阶振型主要沿水平Y方向，三阶振型主要沿水平X方向。分析认为，由于方案一中支腿高度为1.8m、壁厚仅为12mm，属于抗震薄弱环节，较易激发共振。在方案二中增加加强筋后，台架支腿刚度显著提升，使得激发水平方向共振的频率升高，提高了抗震能力。此外，由于固有频率与质量负相关，反应堆容器质量附加于主台架圆孔附近，这使得该区域较易激发共振，两方案沿垂直Z方向激发共振的频率基本一致。

(a)一阶

(b)二阶

(c)三阶图3 方案一模态云图

(a)一阶

(b)二阶

(c)三阶图4 方案二模态云图

3.3 抗震分析

台架在临界装置物项分类中属于抗震Ⅰ类物项，应进行符合极限安全地震水平的地震震动分析验证，利用ANSYS软件的Response Spectrum模块对两种台架方案进行了抗震分析。参考GB 50267—2019《核电厂抗震设计规范》[2]要求，极限安全地震工况下，台架的阻尼比按照7%取值。临界装置厂址为硬土地场，计算用标准反应谱数据见表3。在0.3g的设计地震峰值加速度下，两种方案的反应谱分析结果见图5、图6。从图5、图6可知，方案一的最大结构应力为116.76MPa，位于主台架支腿的地脚螺栓孔处。分析认为，此处附加质量较大，地震工况下该位置所受载荷较高。方案一的最大变形量为0.69mm，位于台面圆孔边缘。方案二的最大结构应力为87.77MPa，发生位置也位于主台架支腿的地脚螺栓孔处。方案二的最大变形量为0.42mm，发生位置与方案一相同，但总变形情况得以改善。与方案一相比，方案二的最大结构应力降低了24%，最大变形量降低了39%。因此，选择方案二作为该临界装置台架的最终方案。

表3 标准反应谱数据[2]

(a)总变形量

(b)应力分布图5 方案一抗震计算结果

(a)总变形量

(b)应力分布图6 方案二抗震计算结果

4 螺栓选型与校核

4.1 螺栓受力情况

台架螺栓最大受力情况如表4所示。

表4 台架螺栓最大受力

4.2 抗拉强度校核

将方案二中受力最大的地脚螺栓在X、Y方向受力进行矢量合并，可得到其横向力Fh，竖直方向主要承受拉力Fz。

在横向力Fh作用下，钢板底座与地脚螺栓平垫铁的接合面不产生滑移的条件：

根据机械设计手册[3]查得，接合面摩擦系数取0.3，防滑系数KS取1.2，为保证校核安全，尽量取较小值，取值为0.2，则地脚螺栓所需要的最小预紧力为：

设计地脚螺栓预紧力为18000.0N，此时地脚螺栓所受轴向拉力为：

选择螺栓材料为Q235，性能等级为4.6，材料屈服极限σS=240MPa，安全系数S取1.5，则螺栓材料的许用应力：

参考机械设计手册的相关要求，轴向力增加30%以考虑扭转切应力的影响，螺栓危险截面需满足的条件是：

上式中，d1为螺栓危险截面直径。

从工作条件及材料疲劳强度等多方面考虑，根据GB/T 799—2020《地脚螺栓》[4]，初步选用公称直径D=24mm、螺距为1.5mm的A型地脚螺栓(螺纹小径d=22.376mm)，d>d1。

4.3 抗剪强度及抗挤压强度校核

对于Q235结构钢，许用切应力为：

[τ]=(0.75～0.8)[σ]

许用挤压应力为：

[σbs]=(1.7～2.0)[σ]

本文保守地取[τ]=130MPa，[σbs]=280MPa，螺栓实际受到的切应力为：

螺栓实际受到的抗挤压应力为：

上式中，Abs为接触面在直径平面上的投影，为钢板底座处螺栓孔侧面与螺栓的接触面，对于A型地脚螺栓，取值为223.76mm2。

上述计算表明，地脚螺栓的抗剪切强度、抗挤压强度均满足要求。

4.4 地脚螺栓及相关紧固件选型

综上所述，选取规格为M24的A型地脚螺栓可满足使用强度要求。根据地脚螺栓长度序列，以及对于重要设备地脚螺栓埋深L1≥30D的要求，公称长度L选为800mm。为防止地震或者其他事故导致螺栓松弛，根据GB/T 93—1987《标准型弹簧垫圈》[5]，选用M24标准型弹簧垫圈，根据GB/T 1337—1988《六角自锁螺母》[6]，选用规格为M24自锁螺母。M24弹簧垫圈厚度为6mm，M24自锁螺母厚度为22mm，紧固后地脚螺栓露3个螺纹，长度为4.5mm，平垫铁厚度选为25mm，综合考虑零部件加工及安装各因素导致的误差，埋深L1设定为735mm，L1>30D，符合埋深的要求。

5 结 论

本文设计了临界装置的支撑台架，并对台架进行了结构抗震分析和螺栓强度校核，结果表明：

(1)采用有加强筋的方案，台架的基态频率升高，抗震能力明显增强。在0.3g的极限地震震动加速度峰值下，台架最大结构应力为87.77MPa，位于主台架的底板地脚螺栓孔处；最大变形量为0.42mm，位于台面圆孔边缘。与无加强筋方案比较，最大结构应力降低了24%，最大变形量降低了39%。

(2)选用M24的A型地脚螺栓，可满足极限安全地震工况下台架地脚螺栓最大受力带来的抗拉强度、抗剪切强度及抗挤压强度的要求。