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山东电缆桥架的结构以及抗震可靠性分析

文章来源:电缆桥架   作者:电缆桥架厂家   发布时间:2018-11-27 09:35   浏览次数:

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核电站用的山东电缆桥架属安全三级、抗震类设备,其承载1E 级电缆,是核电站中的重要设备,需要具有良好的抗震性能。我国核电站抗震设计规范中涉及电缆桥架抗震的设计内容较少并且电缆桥架在电站内分布广泛,载重还不相同,因此有必要针对山东电缆桥架进行抗震可靠性研究。

可靠性分析主要用来评估模型中参数的不确定因素对分析结果的影响,包括物理性的分析模型的和统计方法的不确定性。具体来说,指载荷大小、材料强度、几何尺寸约束条件、材料的本构关系等,以及样本的容量和置信区间的大小引起的不确定性。

采用概率评定方法,不但能给出比较准确的失效概率值,还可以给出结构改进方案的参数敏感性分析结果。

这种方法在建立模型时综合考虑了模型中各种参数的实际离散性,比确定性分析方法中对输入的偏保守处理更接近真实情况。

本文利用ANSYS 概率设计模块的可靠性分析功能,建立了电缆桥架结构的概率分析文件。以往时程计算可靠性,效率太低,本文采用反应谱法,使用概率分布的反应谱关键点参数进行可靠性分析,并对可靠性分析结果与试验结果进行了对比。
 

可靠性分析基本理论

在结构的可靠性分析中,结构的极限状态是由功能函数Z = g( X) 来表达,其中随机变量X = ( X1,X2,…,Xn ) 表征各参数的不确定性。当g( X) > 0时,表示结构处于安全状态; 当g( X) < 0 时,表示结构处于失效状态。若结构中存在应力超过材料的应力屈服强度σs的情况,则认为失效,故极限状态函数[3—5]为:Z = g( X) = σs - σmax。

式中σmax结构中出现的应力,σs为材料屈服强度。

蒙特卡罗法( Monte Carlo) 是解决复杂结构可靠性问题的常用方法。

它是一种采用统计抽样理论近似求解数学问题或物理问题的方法,其基本思想是建立与所描述问题相似性的概率模型,并对模型进行随机模拟或统计抽样,利用所得的结果求出这些特征统计估计值作为原来的数学计算问题的近似解。
 

电缆桥架结构模型

实际结构模型结构见图l,电缆桥架试验模型为Q235 钢结构,总长7 200 mm,高1 727 mm,宽1 467mm,架板宽度为750 mm,总共3 层,试验件托板厚3mm,试验件与支撑件相连的板厚为25 mm,底板固定螺栓为M27、10. 9 级高强度螺栓。

采用ANSYS 建立有限元模型,建模过程中进行

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  了适当的简化处理,电缆桥架模型中托板及底座采用SHELL63 单元,立柱与横档采用BEAM4 单元,螺栓采用BEAM188 单元。电缆桥架有限元模型见
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可靠性分析

电缆桥架在人工地震载荷作用下产生的弯曲应力比其他类型应力大很多,因此主要的失效模式为弯曲应力超过评定准则规定的应力限值。应力限值按照ASME B&PVC-III-NF 线型支承件的使用工况和应力限值要求执行,弯曲应力限值为屈服强度的0. 6 倍,留出裕量,设计更保守安全。已知Q235 钢的屈服强度为235 MPa,可得弯曲应力限值为141MPa。

根据前面的极限状态函数得:Z = σw - Fbmax。式中σw为弯曲应力限值,Fbmax为电缆桥架在振动过程中出现的弯曲应力。

Z≤0 为失效状态,求电缆桥架的可靠性就是求Z > 0 的概率。根据地震载荷作用下的情况,以电缆桥架的材料弹性模量( E2 ) 、阻尼比( DAMP) 、负载( A) 、反应谱作为随机输入变量; 以电缆桥架弯曲应力( Fbmax ) 、极限状态函数( Z) 为随机输出变量,进行电缆桥架的结构可靠性分析。

电缆桥架材料为Q235 钢,其弹性模量取自规范GB50017—2003《钢结构设计规范》,均值取206 000 MPa。

按正态分布计算可得标准差为6 180。

负载和阻尼比也按正态分布计算。烈度和各种地震动参数的概率分布符合极值分布,本文可靠性计算所用的反应谱由试验地震台面测得的加速度时程转谱,从每条反应谱中提取12 个关键点,统计20 条反应谱。X 向每条反应谱提取的12 个关键点对应的频率见表1,Y 向反应谱提取12 个关键点,Z 向反应谱提取12 个关键点,三向的反应谱总共36 个关键点( 未全部列出) 。
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利用ANSYS 的概率分析模块,采用反应谱法进行了山东电缆桥架抗震可靠性分析,首次使用反应谱关键点概率统计参数输入,得到了结构在人工地震载荷作用下的失效概率、位移概率分布、敏感性分析等结果。电缆桥架在人工地震载荷作用下的失效概率接近0 %,其中反应谱是影响可靠性的主要因素。可靠性数值分析的位移均值结果与试验位移均值结果基本一致,说明可靠性分析具有较高可信度,可用于抗震设计分析,对山东电缆桥架设计具有参考价值。

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