核电厂悬臂梁支架校核的方法分析

核电厂悬臂梁支架校核的方法分析

时云龙 张志豪

中国核电工程有限公司郑州分公司 河南 郑州450000

摘要

悬臂梁支架作为核电厂中最常见的支架型式，在设计阶段传统校核方法较为繁琐，影响设计效率。本文对悬臂梁为支撑的核电厂支吊架设计了新的快捷方法用于核电厂悬臂梁支架的校核，减少了支架的冗余计算，有利于工程设计效率的提高。

关键词

支架校核、悬臂梁、刚度

前言

核电厂涉及的支架形式主要有GL、PL、CB、PF组成，其中GL类型的支架为主要支架形式。其中GL形式的支架又多以悬臂梁为支撑。按照传统的支吊架校核方法在效率上往往无法满足工程进度计划，因此针对悬臂梁为支撑的支吊架校核缺少一套快速便捷的方法，本文对核电厂悬臂梁支架校核方法进行了分析,提出。

悬臂梁支架刚度校核

工程中常用细长梁的变形可有纯弯曲梁的变形公式，由曲率公式得到梁的挠曲线近似微分方程：，其中E－杨氏模量；－截面惯性矩；。积分得转角；扰度。

代入边界条件，得，得，因此

挠度方程为，当时，故，悬臂梁的弯曲刚度计算公式为，则。

选用悬臂梁时，在考虑管道各个工况、根部梁类型、载荷、支撑方式及满足安装尺寸的前提下，必须保证根部梁的刚度大于该支吊架处被支承管道的最小刚度。

提高支吊架梁的抗弯刚度的措施有三个：一是增加惯性矩，但对梁整体变形影响较小，应考虑增加加强板；二是减少梁的跨度或在跨中增加支座；三是增加材料的弹性模量，但高强度的钢材的弹性模量与普通钢材相近，因此最有效的措施的减少梁的跨度。若要满足支撑管道的最小刚度，梁的跨度存在上限值。通过上文推导的挠度方程，得到了不同公称直径下不同型号的根部梁满足最小刚度的梁的跨度最大值，结果如下表：

单位为m

通过上表我们可以看出，随着公称直径的增加，满足最小刚度的梁的跨度逐渐减小，槽钢旋转后刚度提高，梁的跨度最大值比旋转前高。因此在设计过程中，对于不同公称直径的管道，设计支架时采用不同的型钢，对应的梁的跨度应小于表中相应的跨度最大值，此时才能满足刚度条件。在实际设计中，设计人员可以依据上表对悬臂梁的支架进行快速的刚度校核，以确定电站的支架是否满足设计要求。

悬臂梁支架强度校核

根据材料力学理论，计算悬臂梁的强度通常从三方面考虑，即由弯曲正应力作用引起的弯曲强度破坏，由剪切应力过大引起的剪切强度破坏，由正应力与剪应力共同作用引起的强度破坏。在核电站工程实际中，一般悬臂梁的长度远高于悬臂梁本身的高度，因此不存在剪力与弯矩共同作用下复杂应力状态产生的破坏，只需对悬臂梁进行弯曲强度或剪力强度校核。核电站一般型钢的材料为Q235-C，屈服强度Sy为235MPa，抗拉强度Su为375MPa。弯曲许用应力[σ]为141MPa，剪切许用应力[τ]为94MPa，由梁的强度条件可知，只要σmax≤[σ]，τmax≤[τ]，梁就不能产生弯曲与剪切破坏。

对于悬臂梁支架而言，其抗弯强度应按下列规定计算：

式中－同一截面处绕x轴和y轴的弯矩（N*m）；

－对x轴和y轴的抗弯截面模量（mm3）；

[σ]－弯曲许用应力（MPa）。

其抗剪强度应按下列规定计算：

式中－同一截面处绕z轴弯矩（N*m）；

－对z轴的抗弯截面模量（mm3）；

－x轴和y轴的集中荷载（N）；

－x轴和y轴的抗剪截面积（N）；

以型钢[8为例进行计算，根据表3的截面特性代入上述公式得：

根据核电站已有的力学分析，通过广泛的代入求证，涉及的悬臂梁支架的设计载荷结果均满足上述不等式，若选用更大的型钢，则满足强度条件的设计载荷更大，因此对于核电厂非核级不抗震常温管道的悬臂梁支架采用[8及以上的型钢均能满足强度条件，故在其支架的设计中可以省略强度校核步骤，只需进行支吊架刚度校核即可。

总结

本节通过对核电站设计中占比最多的悬臂梁支架刚度公式的推导，计算得到了满足刚度的跨度最大值，利用该计算结果可以对项目中的大量的悬臂梁支架刚度进行快速判断；通过对强度条件的分析，对于核电厂非核级不抗震管道的悬臂梁支架，支架强度无需再进行计算，从而减少了支吊架校核的工作量，缩短了设计工时，提高了设计效率。

参考文献

[1] 动力管道设计手册，机械工业出版社，2006.

[2] 钱德永，管道工程简易计算，机械工业出版社，2006.

[3] 唐永进，压力管道应力分析，中国石化出版社，2009.