沈艷祥 高揚 徐嵐

中國核電工程有限公司，北京 ，100840

核電站起重機結構抗震設計標準研究

沈艷祥 高揚 徐嵐

中國核電工程有限公司，北京 ，100840

本文對ASME NOG-1-2010和GB/T 3811-2008關于起重機結構抗震設計內容進行了介紹，詳細分析了不同標準對于起重機結構抗震計算在載荷組合、應力限值的區(qū)別，有益于我國核電站起重機結構抗震設計標準體系的完善。

核電站；起重機；結構；抗震

我國核電站起重機結構抗震設計方面還沒有建立完善的標準體系，在實際工作中往往需要結合多項國內外標準、規(guī)范、或技術規(guī)格書來完成設計計算。本文對比分析了GB/T3811-2008《起重機設計規(guī)范》（以下簡稱GB/T 3811）與ASME NOG-1-2010“Rules for Construction of Overhead and Gantry Cranes (Top Running Bridge Multiple Girder)”（以下簡稱NOG-1）在起重機結構抗震設計中關于載荷組合、應力限值方面的內容。

1 載荷組合及分析

1.1 GB/T 3811載荷組合

GB/T 3811規(guī)定在進行起重機及金屬結構計算時，應該考慮三種不同的基本載荷情況：A——無風工作情況;B——有風工作情況;C——受到特殊載荷作用的工作情況或非工作情況。每種基本載荷又對應若干個具體的載荷組合，其中A載荷情況包含A1-A4四種載荷組合；B載荷情況包含B1-B5五種載荷組合；C載荷情況包含C1-C9九種載荷組合；每組載荷定義可參見GB/T 3811-2008第4.3.3節(jié)。其中C8的定義為：起重機帶有額定起升載荷，與起重機基礎外部激勵產(chǎn)生的載荷相組合。這種外部激勵是指由于地震致使起重機發(fā)生振動而對起重機引起的載荷。根據(jù)GB/T 3811載荷組合表可以確定C8詳細載荷組合：

位移載荷是指由預應力、軌道不均勻沉降等導致結構發(fā)生位移或變形引起的載荷。

1.2 NOG-1 載荷組合

NOG-1 將起重機的載荷組合分為五種基本情況：

（a）起重機運行載荷；（b）起重機建造載荷；（c）嚴重環(huán)境載荷；（d）極端環(huán)境載荷；（e）異常事件載荷。五種基本載荷組合細分為PC1到PC17共17種載荷組合，其中PC10、PC11 、PC12 、PC13 四種組合包含了地震載荷，均屬于極端環(huán)境載荷條件。其詳細定義如下：

需特別說明SSE下的臨界載荷與OBE下的臨界載荷含義，是指在SSE和OBE發(fā)生時，起重機有可能吊裝的最大臨界載荷，即可能導致放射性介質泄露的載荷。

1.3 載荷組合分析

（1）由1.1節(jié)可知GB/T 3811只考慮了起重機負載情況。一般認為起重機結構在負載時的地震響應應力大于空載狀態(tài)，因此負載抗震計算滿足要求后可不必再計算空載，這對起重機自身結構計算沒有問題，卻忽略了起重機作用在與承軌梁上的載荷計算，以豎直方向分析為例，規(guī)定載荷豎直向下為+，由于地震響應力的方向是雙向的，所以取+ -，由此作用在承軌梁上的載荷為：

式1-6計算結果始終為正，即得到作用在承軌梁上的最大壓力；式1-7計算結果可能為正，也可能為負，如結果為負值，說明起重機對承軌梁產(chǎn)生了上拋力，若此時不考慮負載，上拋力的值將更大。上拋力對承軌梁及軌道設計是極不利的，可能導致起重機跳出軌道，發(fā)生跌落事故。因此從設計計算上必須保證承軌梁及軌道系統(tǒng)能夠承受上拋力。為提高核電站對地震事件的防御能力，國內核電站抗震設計基礎加速度提高到0.3g，根據(jù)一些工程的計算結果，某些起重機存在著較大上拋力，給起重機設計、廠房及承軌梁設計提出了新的難題。可見GB/T 3811只考慮 (1-1)這一種載荷組合是不夠全面的，相比而言，NOG-1的載荷組合就更加完善。

（2）核電廠抗震設計要求根據(jù)物項抗震分類的不同，通常在OBE和SSE兩種地震條件下進行設計，而GB/T 3811并未對地震分類進行定義。而NOG-1要求起重機在負載和空載狀態(tài)下分別與SSE和OBE兩種地震分別進行組合，即四種工況，見式 (1-2)、 (1-3)、 (1-4)、(1-5)，抗震計算時可以直接按照規(guī)范進行組合，可執(zhí)行性更強。

（3）此外，NOG-1對于抗震計算時起重機的狀態(tài)還有更詳細的要求。

2 應力限值

2.1 GB/T3811許用應力

結構件拉伸、壓縮、彎曲的基本許用應力[σ]規(guī)定如下。

（1）對于σs/σb＜ 0.7 的鋼材，載荷組合分為A、B、C，對應的基本許用應力[σ]和安全系數(shù)n分別為σs/1.48，σs/1.34，σs/1.22，1.48，1.34，1.22。對于σs/σb≥0.7 的鋼材，基本許用應力[σ]按下式計算：

n ：與載荷組合類別相關的強度安全系數(shù)，可查表1獲得。

剪切許用應力按下式計算：

地震工況屬于載荷組合C8，因此安全系數(shù)按表1選取1.22。由此可知，屈強比小于0.7的鋼材，應力限值σs/1.22，約0.8196σs；屈強比大于等于0.7的鋼材，應力限值為（0.5σs+0.35σb）/1.22，即小于等于0.8196σs。綜合兩類鋼材，拉伸和壓縮許用應力應小于等于0.8196σs，剪切許用應力小于等于0.4732σs。

2.2 NOG-1許用應力

結構件許用應力見表1。

表1 鋼材許用應力

NOG-1地震載荷組合屬于極端環(huán)境載荷，因此由表2可知結構的拉伸和壓縮許用應力為0.9σs，剪切許用應力0.5σs。

2.3 許用應力分析

對于拉伸和壓縮載荷產(chǎn)生的許用應力，GB/T3811的許用應力小于等于0.8196σs；NOG-1的許用應力為0.9σs；對于剪切許用應力，GB/T3811規(guī)定的限值是0.4732σs，NOG-1規(guī)定的限制是0.5σs。由此可見無論是拉壓，還是剪切，GB/T3811選擇的安全系數(shù)比NOG-1更小，計算結果更加安全。但從另一方面分析，NOG-1的安全系數(shù)更充分的利用了材料的力學性能，其計算結果更具經(jīng)濟性，當然這與各國鋼材的力學性能及冶煉技術的穩(wěn)定性是密不可分的，也與良好的工程實踐是息息相關的。

3 結語

通過對比分析GB/T3811和ASME NOG-1可知我國標準在起重機結構抗震設計載荷組合方面尚不完善，其應用具有一定局限性；通過對應力限值的對比分析，可知我國起重機結構抗震計算應力限值選取的安全系數(shù)更加保守。

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沈艷祥/1982年生/男/北京人/碩士/工程師/研究方向為核電站用起和重機設計