01 研究背景

核电站中不同建筑内都有高架起重机，用于起吊和搬运重物。它们在地震后必须保持机动性，并且需要避免倒塌损坏附近的设备。因此主要的起重系统保护被认为是安全和利益保障的重要因素，也是核电厂建筑物地震分析中的重要内容。

核岛事故发生后，法国启动了核电厂地震相关的重新评估，新的地震谱 SND被用于核电站系统、结构和组件的验证以及尺寸的确定。SND可由两种方式定义：

• 1.5倍核电站增强安全地震谱的包络。

• 以概率方式定义的被研究站点的地震谱包络，基准为20000年一遇的地震级别。

此研究旨在确认桥式起重机在SND级别地震下的行为是合理的。

图1. 核电站中的辅助起重机

02 主要问题

当前，相关计算通过频谱模态分析定时进行，在分析过程中使用的假设忽略了与摩擦和刚体运动有关的耗散，这导致了很大的保守性：施加在各种结构上的载荷被高估，并且基于此提出了复杂而且成本极高的加固解决方案。对于某些起重机，也基于物理基础进行了非线性计算，但是一方面大量使用这一类计算会导致浪费计算时间；另一方面，刚体模态的出现导致使用了正比于刚度的瑞利阻尼，进而导致对低频模态的衰减非常弱。

为了改进这些对特定起重机的研究，开发了一种使用通用结构仿真软件进行动力学非线性瞬态计算的方法。这种方法考虑了滚轮在轨道上的摩擦、滚动和抬起，也考虑了内力限制系统的局部可塑性。该方法的非线性计算在由起重机特征模态组成的模态基础上进行，并增加了与结构间接触相关的静力学模态。这增强了滚轮滚动的作用，同时极大地减小了传递到桥和托架的应力以及桥的变形。

03 振动台实验

2016年，法国原子能和替代能源委员会（CEA）、法国核安全与辐射防护研究院（IRSN）和法国电力公司（EDF）在振动台上进行了相关测试，以研究桥式起重机的抗震性能。这些测试使用1/5比例的桥式起重机模型，其灵感来自菲尼克斯核电厂地装卸起重器（每22米100吨）。该模型包括桥体及其支架，还包括供桥体在其上移动的运行梁。该模型不仅复现了核电厂中高架起重机的几何特性，也复现了材料和接触点的特征。该模型被安放在CEA位于Saclay的三轴振动台上，以施加相应的地震激励。

图2. 振动台上的桥式起重机模型

实验过程中测量模型上各个点的加速度，以及桥体和支架上的局部运动。这些测量结果辅以立体视觉测量值，这些测量值记录了模型上不同位置的三维位移。最后，在桥体滑动轨道和振动台间插入六轴力传感器，以记录在桥体及其支撑结构之间界面处的力。

在施加动态应力之前，进行了不同的特征测试以明确模型中各元素的行为，及模型整体的行为。这些特征测试基于白噪声及力锤激励完成。

接着，不同的动力学载荷被施加在振动台上：

• 首先施加基本荷载，振动台快速单向移动。这些测试在短时间内突出显示摩擦力的作用，据此可以重新调整接触点的参数设置。

• 接着将双轴、三轴的地震信号施加在振动台上。这些信号为柏崎刈羽核电站在2007年7月的越冲地震中记录，它们记录的是汽轮机厂房在地震中的主要碰撞。实验过程中调整了加速度计以考虑响应谱比例因子，也为了使主频率与模型的频率相接近。

04 新型计算方法验证

这些实验测试的数值模拟通过通用结构仿真软件完成：首先进行实验模型的建立以及网格划分，接着对数字模型进行调整，使得数字模型的动力学行为与实验模型接近。

仿真结果表明：仿真和实验测试中桥体和支架的最大位移有着良好的对应关系。但依然无法确定地震后各单元的最终位置，只能比较最大位移。但是，尽管忽略了某些参数（例如接触刚度），但仿真结果中的冲击的能量回复系数，支架的加速度以及界面处的作用力均能与实验值相对应。

图3. 数值仿真模型的垂直振动模态

---

格物云CAE

一款国产可控云端仿真平台，结构、流体、水动力仿真软件场景化模块化，支持多格式网格导入(.med、.inp、.cdb、.cgns等)和高性能并行计算，降低CAE使用门槛，拓展CAE应用范围，加速工业企业研发制造数字化转型。平台支持云端CAE仿真生成工业APP，构建完全交互式仿真社区，快速实现行业通用经验软件化。

一键登录，开启仿真！

https://cae365.yuansuan.com

---

更多资讯可登录格物CAE官方网站

https://cae.yuansuan.cn/

远算科技在bilibili、头条、知乎、技术邻定期发布课程视频等内容

敬请关注