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摘 要：联合泵房上部钢结构为单层框排架体系，属核安全I类物项。本文以田湾核电站5&6号机组联合泵房上部钢结构为算例，通过将极端环境荷载——现有厂址中加速度峰值最大的泵房顶部地震反应谱和风压值最高的龙卷风作用依次施加于算例结构上，得到结构在这两类极端环境荷载工况下的构件应力分布规律和各类构件应力裕度，为联合泵房上部钢结构的耐强震和龙卷风优化设计提供依据和保障。
关键词：联合泵房上部钢结构；单层框排架；极限安全地震作用；龙卷风作用
1.工程概述
联合泵房上部钢结构多采用单层双坡双跨框排架结构体系，属核安全I类物项。该钢结构在结构构造方面的主要特点为：排架柱柱顶与屋面桁架刚接，柱脚为刚接柱脚；在结构纵向柱间支撑布置较密，多采用隔一布一的方式布置。本文以田湾核电站5&6号机组联合泵房上部钢结构为算例。该厂房为单层双坡双跨框排架结构，厂房横向跨度为44.6m，纵向长度为62.19m，高度为19.5m，厂房三维构造见图2.1。厂房每个横向跨度内各布置1台40t/5t桥式双梁吊车，每台吊车自重为51t。
极端环境荷载指可信但极少可能发生的环境荷载和作用，包括极限安全地震作用和龙卷风作用，为钢结构厂房的最不利荷载工况。
2.模型及参数
2.1模型描述
本钢结构采用三维有限元计算软件ANSYS进行仿真分析，全部构件采用梁单元BEAM188模拟，吊车用集中质量单元MASS21模拟。屋架、系杆、支撑与排架柱刚性连接，排架柱柱脚的边界条件为刚接。厂房的三维模型见图2.1。
图2.1 联合泵房上部钢结构三维模型图
2.2材料参数和构件截面
钢材材质为Q345B，密度7.85t/m?，弹性模量2.06×107kN/m?，泊松比0.3，抗拉抗压强度325MPa，抗剪强度180MPa。各主要构件的截面型号见表2.2。
表2.2 钢构件截面型号
2.3恒、活荷载
除结构自重外，屋面板、墙面板自重为0.7kN/m?，屋面活荷载值为0.5kN/m?。吊车最大轮压为404kN。
2.4结构动力特性
对本钢结构进行模态分析，得到结构的自振频率及其对应的质量参与系数如表2.4所示。结构的振型图见图2.4。
表2.4 本钢结构各阶自振频率和质量参与系数
a）X方向 b）Y方向
c）Z方向 d）扭转方向
图2.4 本钢结构各方向的第1阶振型图
从图表中可见，本钢结构的各阶自振频率均大于1Hz，表明结构的整体刚度较大。结构的Y向平动刚度和扭转刚度相对较小，振动幅度比较突出。结构在水平方向的质量参与系数集中在第1阶振型，在竖直方向的质量参与系数比较离散。
3.极端环境荷载作用模拟
3.1极限安全地震作用模拟
现有厂址中，以漳州厂址联合泵房的顶部地震反应谱峰值加速度为最大。钢结构输入反应谱采用联合泵房标高-0.40m处楼层反应谱4%阻尼比谱值，见图3.1，激振作用点在钢结构柱脚处。极限安全地震震动（SL-2级）时泵房基底水平和竖向加速度峰值分别为0.30g和0.20g，传到钢结构柱脚处的X、Y、Z向0周期对应的加速度值分别为0.9818g、0.9945g和0.5658g，结构主频对应的加速度值分别为1.9g、1.09g和1.7824g。
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X方向 Y方向 Z方向
图3.1 联合泵房標高-0.40m楼层反应谱（SL-2）
地震作用通过同时输入3个方向的反应谱来模拟。在反应谱分析中，X、Y方向取300个振型，Z方向取1000个振型，保证每个方向的质量参与系数达到90%；地震三个方向中每个模态的响应通过CQC方法组合。三个方向的地震结果采用SRSS方法组合。
3.2龙卷风作用模拟
龙卷风荷载标准值效应Wt，由龙卷风风压荷载Wtg、大气压迅速变化引起的压差荷载Wtp和龙卷风引起的飞射物撞击效应Wtm组成。
其中，μ_L为尺寸系数，μ_（Z ）为风荷载体型系数，wmax为龙卷风旋转半径处的最大风压。
现有厂址中以田湾厂址所在的龙卷风风压为最大，其参数为：最大风速wmax = 92.6m/s，最大压降Wtp = 6.42kPa。龙卷风荷载效应采用的组合为Wt=Wtg + 0.5 Wtp + Wtm。作用在钢结构上的龙卷风风压和最大压降荷载见图3.2。
a）X向龙卷风风压荷载（kN/m） b）Y向龙卷风风压荷载（kN/m） c）龙卷风最大压降荷载（kN/m）
图3.2 作用在钢结构上的龙卷风荷载
4.极端环境荷载控制下的构件应力分布
为反映结构真实的受荷状态，采用自重荷载工况D和活荷载工况L分别与极限安全地震工况E2、龙卷风工况Wt组合，得到这两种工况组合下的构件应力分布结果。
4.1极限安全地震工况控制下的内力与应力分布
本钢结构在自重荷载、活荷载和极限安全地震工况组合下的构件应力分布云图如图4.1-1～2所示。
a）工况组合D+L+E2 b）工况组合D+L-E2
图4.1-1 结构整体正应力σx（kPa）分布云图
a）工况组合D+L+E2 b）工况组合D+L-E2
图4.1-2 结构局部正应力极值σx-max（kPa）分布云图
从极限安全地震作用控制下的结构应力分布图可以看出，排架柱柱脚和柱顶、中列下柱支撑处出现了明显的应力集中现象；拉、压应力极值均产生在中列柱柱脚处，分别为227MPa和-242MPa，同时中列下柱支撑处也产生了较大的压应力（约215MPa），其值小于钢材屈服强度设计值且满足构件稳定要求，表明结构极限安全地震作用控制下在仍处于弹性状态。 4.2龙卷风工况控制下的内力与应力分布
本钢结构在自重荷载、活荷载和龙卷风作用工况组合下的正应力分布云图见图4.2-1～2所示。
a）X向龙卷风 b）Y向龙卷风
图4.2-1 结构整体正应力σx分布云图（kPa）
a）X向龙卷风 b）Y向龙卷风
图4.2-2 结构局部正应力极值σx-max （kPa）分布云图
从龙卷风作用控制下的结构应力分布图可以看出，中列柱柱脚、屋架端部和左侧屋面系桿处出现了明显的应力集中现象；拉、压应力极值均产生在屋架弦杆端部，分别为225MPa和-219MPa，其值小于钢材屈服强度设计值同时满足构件稳定要求，表明结构在龙卷风作用控制下仍处于弹性状态。
4.3极限安全地震及龙卷风作用控制下的构件应力裕度
表4.3-1和4.3-2分别列出了本钢结构各类构件在极限安全地震作用和龙卷风作用控制下的正应力极值和相应的应力裕度。
表4.3-1 极限安全地震作用控制下钢结构构件应力极值和裕度
表4.3-2 龙卷风作用控制下钢结构构件应力极值和裕度
从各构件的正应力极值和应力裕度表可以看出，在极限安全地震作用控制下下柱的强度裕度最低，下柱支撑的稳定裕度最低，其余构件的强度和稳定裕度大于100%；下柱、牛腿、柱间系杆和柱间支撑的应力设计最大值由极限安全地震作用控制。在龙卷风作用控制下屋架的应力裕度和稳定裕度最低，除屋架、上柱和下柱外其余构件的强度和稳定裕度大于100%；上柱、屋架、屋面檩条和屋面支撑的应力设计最大值由龙卷风作用控制。
5.结论
综上所述，联合泵房上部钢结构采用双跨双坡框排架体系时，结构整体刚度比较大，通过合理的构件设计能使结构具有抵抗现有厂址中最强地震作用和最强龙卷风作用的能力。本钢结构的耐震能力主要取决于中柱下柱和下柱支撑的强度和稳定承载力，耐龙卷风能力主要取决于屋架端部弦杆的强度承载力。在以后的联合泵房上部钢结构设计中，应根据厂房所在厂址地震加速度和龙卷风风压的大小来灵活调整中柱下柱、下柱支撑和屋架端部弦杆的截面型号，使结构在具有抵抗极端环境荷载作用的同时实现设计优化。
（本文作者单位为：中国核电工程有限公司 北京 100084）
关键词：联合泵房上部钢结构；单层框排架；极限安全地震作用；龙卷风作用
1.工程概述
联合泵房上部钢结构多采用单层双坡双跨框排架结构体系，属核安全I类物项。该钢结构在结构构造方面的主要特点为：排架柱柱顶与屋面桁架刚接，柱脚为刚接柱脚；在结构纵向柱间支撑布置较密，多采用隔一布一的方式布置。本文以田湾核电站5&6号机组联合泵房上部钢结构为算例。该厂房为单层双坡双跨框排架结构，厂房横向跨度为44.6m，纵向长度为62.19m，高度为19.5m，厂房三维构造见图2.1。厂房每个横向跨度内各布置1台40t/5t桥式双梁吊车，每台吊车自重为51t。
极端环境荷载指可信但极少可能发生的环境荷载和作用，包括极限安全地震作用和龙卷风作用，为钢结构厂房的最不利荷载工况。
2.模型及参数
2.1模型描述
本钢结构采用三维有限元计算软件ANSYS进行仿真分析，全部构件采用梁单元BEAM188模拟，吊车用集中质量单元MASS21模拟。屋架、系杆、支撑与排架柱刚性连接，排架柱柱脚的边界条件为刚接。厂房的三维模型见图2.1。
图2.1 联合泵房上部钢结构三维模型图
2.2材料参数和构件截面
钢材材质为Q345B，密度7.85t/m?，弹性模量2.06×107kN/m?，泊松比0.3，抗拉抗压强度325MPa，抗剪强度180MPa。各主要构件的截面型号见表2.2。
表2.2 钢构件截面型号
2.3恒、活荷载
除结构自重外，屋面板、墙面板自重为0.7kN/m?，屋面活荷载值为0.5kN/m?。吊车最大轮压为404kN。
2.4结构动力特性
对本钢结构进行模态分析，得到结构的自振频率及其对应的质量参与系数如表2.4所示。结构的振型图见图2.4。
表2.4 本钢结构各阶自振频率和质量参与系数
a）X方向 b）Y方向
c）Z方向 d）扭转方向
图2.4 本钢结构各方向的第1阶振型图
从图表中可见，本钢结构的各阶自振频率均大于1Hz，表明结构的整体刚度较大。结构的Y向平动刚度和扭转刚度相对较小，振动幅度比较突出。结构在水平方向的质量参与系数集中在第1阶振型，在竖直方向的质量参与系数比较离散。
3.极端环境荷载作用模拟
3.1极限安全地震作用模拟
现有厂址中，以漳州厂址联合泵房的顶部地震反应谱峰值加速度为最大。钢结构输入反应谱采用联合泵房标高-0.40m处楼层反应谱4%阻尼比谱值，见图3.1，激振作用点在钢结构柱脚处。极限安全地震震动（SL-2级）时泵房基底水平和竖向加速度峰值分别为0.30g和0.20g，传到钢结构柱脚处的X、Y、Z向0周期对应的加速度值分别为0.9818g、0.9945g和0.5658g，结构主频对应的加速度值分别为1.9g、1.09g和1.7824g。
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X方向 Y方向 Z方向
图3.1 联合泵房標高-0.40m楼层反应谱（SL-2）
地震作用通过同时输入3个方向的反应谱来模拟。在反应谱分析中，X、Y方向取300个振型，Z方向取1000个振型，保证每个方向的质量参与系数达到90%；地震三个方向中每个模态的响应通过CQC方法组合。三个方向的地震结果采用SRSS方法组合。
3.2龙卷风作用模拟
龙卷风荷载标准值效应Wt，由龙卷风风压荷载Wtg、大气压迅速变化引起的压差荷载Wtp和龙卷风引起的飞射物撞击效应Wtm组成。
其中，μ_L为尺寸系数，μ_（Z ）为风荷载体型系数，wmax为龙卷风旋转半径处的最大风压。
现有厂址中以田湾厂址所在的龙卷风风压为最大，其参数为：最大风速wmax = 92.6m/s，最大压降Wtp = 6.42kPa。龙卷风荷载效应采用的组合为Wt=Wtg + 0.5 Wtp + Wtm。作用在钢结构上的龙卷风风压和最大压降荷载见图3.2。
a）X向龙卷风风压荷载（kN/m） b）Y向龙卷风风压荷载（kN/m） c）龙卷风最大压降荷载（kN/m）
图3.2 作用在钢结构上的龙卷风荷载
4.极端环境荷载控制下的构件应力分布
为反映结构真实的受荷状态，采用自重荷载工况D和活荷载工况L分别与极限安全地震工况E2、龙卷风工况Wt组合，得到这两种工况组合下的构件应力分布结果。
4.1极限安全地震工况控制下的内力与应力分布
本钢结构在自重荷载、活荷载和极限安全地震工况组合下的构件应力分布云图如图4.1-1～2所示。
a）工况组合D+L+E2 b）工况组合D+L-E2
图4.1-1 结构整体正应力σx（kPa）分布云图
a）工况组合D+L+E2 b）工况组合D+L-E2
图4.1-2 结构局部正应力极值σx-max（kPa）分布云图
从极限安全地震作用控制下的结构应力分布图可以看出，排架柱柱脚和柱顶、中列下柱支撑处出现了明显的应力集中现象；拉、压应力极值均产生在中列柱柱脚处，分别为227MPa和-242MPa，同时中列下柱支撑处也产生了较大的压应力（约215MPa），其值小于钢材屈服强度设计值且满足构件稳定要求，表明结构极限安全地震作用控制下在仍处于弹性状态。 4.2龙卷风工况控制下的内力与应力分布
本钢结构在自重荷载、活荷载和龙卷风作用工况组合下的正应力分布云图见图4.2-1～2所示。
a）X向龙卷风 b）Y向龙卷风
图4.2-1 结构整体正应力σx分布云图（kPa）
a）X向龙卷风 b）Y向龙卷风
图4.2-2 结构局部正应力极值σx-max （kPa）分布云图
从龙卷风作用控制下的结构应力分布图可以看出，中列柱柱脚、屋架端部和左侧屋面系桿处出现了明显的应力集中现象；拉、压应力极值均产生在屋架弦杆端部，分别为225MPa和-219MPa，其值小于钢材屈服强度设计值同时满足构件稳定要求，表明结构在龙卷风作用控制下仍处于弹性状态。
4.3极限安全地震及龙卷风作用控制下的构件应力裕度
表4.3-1和4.3-2分别列出了本钢结构各类构件在极限安全地震作用和龙卷风作用控制下的正应力极值和相应的应力裕度。
表4.3-1 极限安全地震作用控制下钢结构构件应力极值和裕度
表4.3-2 龙卷风作用控制下钢结构构件应力极值和裕度
从各构件的正应力极值和应力裕度表可以看出，在极限安全地震作用控制下下柱的强度裕度最低，下柱支撑的稳定裕度最低，其余构件的强度和稳定裕度大于100%；下柱、牛腿、柱间系杆和柱间支撑的应力设计最大值由极限安全地震作用控制。在龙卷风作用控制下屋架的应力裕度和稳定裕度最低，除屋架、上柱和下柱外其余构件的强度和稳定裕度大于100%；上柱、屋架、屋面檩条和屋面支撑的应力设计最大值由龙卷风作用控制。
5.结论
综上所述，联合泵房上部钢结构采用双跨双坡框排架体系时，结构整体刚度比较大，通过合理的构件设计能使结构具有抵抗现有厂址中最强地震作用和最强龙卷风作用的能力。本钢结构的耐震能力主要取决于中柱下柱和下柱支撑的强度和稳定承载力，耐龙卷风能力主要取决于屋架端部弦杆的强度承载力。在以后的联合泵房上部钢结构设计中，应根据厂房所在厂址地震加速度和龙卷风风压的大小来灵活调整中柱下柱、下柱支撑和屋架端部弦杆的截面型号，使结构在具有抵抗极端环境荷载作用的同时实现设计优化。
（本文作者单位为：中国核电工程有限公司 北京 100084）