陝西電纜橋架結構抗震可靠性分析

作者:admin 發布日期: 2019-03-28 二維碼分享

陝西電纜橋架結構抗震可靠性分析,核電站用的電纜橋架屬核安全三級、抗震I 類設備,其承載1E 級電纜,是核電站中的重要設備,必須具有良好的抗震性能。我國核電站抗震設計規範中涉及電纜橋架抗震的設計內容較少[1],並且電纜橋架在電站內分布廣泛,載重還不相同,因此有必要針對電纜橋架進行抗震可靠性研究。

可靠性分析主要用來評估模型中參數的不確定因素對分析結果的影響,包括物理性的、分析模型的和統計方法的不確定性。具體來說,指載荷大小、材料強度、幾何尺寸、約束條件、材料的本構關係等,以及樣本的容量和置信區間的大小引起的不確定性。采用概率評定方法,不但能給出比較準確的失效概率值,還可以給出結構改進方案的參數敏感性分析結果。這種方法在建立模型時綜合考慮了模型中各種參數的實際離散性,比確定性分析方法中對輸入的偏保守處理更接近真實情況[2]。

本文利用ANSYS 概率設計模塊的可靠性分析功能,建立了電纜橋架結構的概率分析文件。以往時程計算可靠性,效率太低,本文采用反應譜法,..使用概率分布的反應譜關鍵點參數進行可靠性分析,並對可靠性分析結果與試驗結果進行了對比。

1 可靠性分析基本理論

在結構的可靠性分析中,陝西電纜橋架批發價格結構的極限狀態是由功能函數Z = g( X) 來表達,其中隨機變量X = ( X1,X2,…,Xn) 表征各參數的不確定性。當g( X) > 0時,表示結構處於安全狀態; 當g( X) < 0 時,表示結構處於失效狀態。若結構中存在應力超過材料的應力屈服強度σs的情況,則認為失效,故極限狀態函數[3—5]為:
Z = g( X) = σs - σmax。
式中σmax結構中出現的.大應力,σs為材料屈服強度。
蒙特卡羅法( Monte Carlo) 是解決複雜結構可靠性問題的常用方法[6]。它是一種采用統計抽樣理論近似求解數學問題或物理問題的方法,其基本思想是建立與所描述問題相似性的概率模型,並對模型進行隨機模擬或統計抽樣,利用所得的結果求出這些特征統計估計值作為原來的數學計算問題的近似解[7,8]。

2 電纜橋架可靠性分析

2. 1 電纜橋架結構模型

實際結構模型結構見圖1,陝西電纜橋架價格電纜橋架試驗模型為Q235 鋼結構,總長7 200 mm,高1 727 mm,寬1 467mm,架板寬度為750 mm,總共3 層,試驗件托板厚3mm,試驗件與支撐件相連的板厚為25 mm,底板固定螺栓為M27、10. 9 級高強度螺栓。

圖1 試驗模型照片
采用ANSYS 建立有限元模型,建模過程中進行了適當的簡化處理,電纜橋架模型中托板及底座采用SHELL63 單元,立柱與橫檔采用BEAM4 單元,螺栓采用BEAM188 單元。電纜橋架有限元模型見圖2。

圖2 電纜橋架有限元模型


2. 2 可靠性分析
電纜橋架在人工地震載荷作用下產生的彎曲應力比其他類型應力大很多,因此主要的失效模式為彎曲應力超過評定準則規定的應力限值。應力限值按照ASME B&PVC-III-NF 線型支承件的使用工況和應力限值要求執行,彎曲應力限值為屈服強度的0. 6 倍,留出裕量,設計更保守安全。已知Q235 鋼的屈服強度為235 MPa,可得彎曲應力限值為141MPa。根據前麵的極限狀態函數得:
Z = σw - Fbmax。
式中σw為彎曲應力限值,Fbmax為電纜橋架在振動過程中出現的.大彎曲應力。
Z≤0 為失效狀態,求電纜橋架的可靠性就是求Z > 0 的概率。
根據地震載荷作用下的情況,以電纜橋架的材料彈性模量( E2) 、阻尼比( DAMP) 、負載( A) 、反應譜作為隨機輸入變量; 以電纜橋架.大彎曲應力( Fbmax) 、極限狀態函數( Z) 為隨機輸出變量,進行電纜橋架的結構可靠性分析。
電纜橋架材料為Q235 鋼,其彈性模量取自規範GB50017—2003《鋼結構設計規範》,均值取206 000 MPa。按正態分布計算可得標準差為6 180。負載和阻尼比也按正態分布計算。
烈度和各種地震動參數的概率分布符合極值分布[9],本文可靠性計算所用的反應譜由試驗地震台麵測得的加速度時程轉譜得到,從每條反應譜中提取12 個關鍵點,統計20 條反應譜。X 向每條反應譜提取的12 個關鍵點對應的頻率見表1,Y 向反應譜提取12 個關鍵點,Z 向反應譜提取12 個關鍵點,三向的反應譜總共36 個關鍵點( 未全部列出) 。
表1 反應譜關鍵點對應的頻率

試驗用的原始三向反應譜見圖3,圖中峰值加速度.大的那條黑色曲線是X 向反應譜; 峰值加速度.小的那條紅色曲線是Z 向反應譜; 峰值加速度介於兩者之間的那條藍色曲線是Y 向反應譜。

圖3 原始反應譜
整條反應譜一般服從極值分布,但對每個頻率對應的20 個加速度值進行概率分布統計( 與12 關鍵點對應的頻率) ,基本上都能通過正態分布檢驗,從X、Y、Z 三向反應譜分別提取的12 個關鍵點,統計檢驗結果見表2,隻有極少數幾個未通過正態分布檢驗。
表2 反應譜關鍵點的統計檢驗結果

 

圖4 反應譜關鍵點RS12 的Q-Q 圖
其中圖4 為X 向反應譜關鍵點RS12 的標準Q-Q圖,橫坐標表示數據中的觀測值,縱坐標表示期望值,可以看出散點基本上分布在直線附近,說明服從正態分布。圖5 為反應譜關鍵點RS12 的概率密

圖5 反應譜關鍵點RS12 概率統計分布
度分布,反應譜關鍵點參數過多,未逐一列出。隨機輸入變量及其統計分布見表3( 反應譜關點鍵未全部列出) 。
表3 隨機輸入變量及統計分布

陝西電纜橋架
2. 3 可靠性分析結果
選擇蒙特卡羅法中的拉丁抽樣法進行抽樣,抽樣模擬次數為1 000 次,查看計算結果。電纜橋架的.大彎曲應力抽樣過程如圖6 所示,輸出變量的平均值收斂,表明模擬的次數已經足夠[2]。
.大彎曲應力的敏感性分析結果如圖7 所示。極限狀態函數Z 的敏感性分析結果如圖8 所示。從圖中可以看出,對結果影響比較大的均是反應譜RS5、RS8、RS7、RS6、RS9,它們對應的頻率分別為4. 55 Hz、10 Hz、8. 33 Hz、7. 14 Hz、12. 5 Hz。
其中影響.大的RS5 對應頻率為4. 55 Hz 與試驗頻率4. 7 Hz 接近,即在電纜橋架自振頻率附近的影響較大。除反應譜外其他各參數對結果影響較小,說明反應譜是影響可靠性的.主要因素。
反應譜對彎曲應力的靈敏度是正值,說明彎曲應力隨反應譜值的增加而增加; 反應譜對極限函數Z 的靈敏度是負值,說明極限函數Z 隨反應譜值的增加而減小。
電纜橋架豎梁1#立柱與二層橫梁交叉處的振

圖6 .大彎曲應力的抽樣過程

圖7 .大彎曲應力的敏感性分析結果

圖8 極限函數Z 的敏感性分析
動位移概率分布如圖9、10 所示。X 向( 橫向) 位移均值約為5. 97 mm,Y 向(縱向) 位移均值約為4. 46 mm。

圖9 二層橫梁與1#柱交叉處X 位移

圖10 二層橫梁與1#柱交叉處Y 位移

圖11 極限狀態函數Z 概率結果
在置信度95%情況下,極限狀態函數Z 概率結果如圖11 所示。極限狀態函數Z < 0 的概率接近0%,說明電纜橋架在人工地震載荷作用下的失效概率接近0%,彎曲應力不超限的概率接近....。

3 試驗結果與模擬結果比較
電纜橋架試驗件固定在地震台麵上,測點布置如圖12 所示,在立柱上布置了大量的位移傳感器,用以測量模型結構的振動位移。
在地震台麵上對試驗件進行抗震試驗,激勵的

圖12 位移傳感器測點布置
地震波為人工時程,由規範中的反應譜通過譜轉時程得到,譜轉時程所用的阻尼比為20%。得到20組人工時程,均以三分之一的時程大小進行抗震試驗,測得電纜橋架振動位移結果。
試驗結束後經檢查沒有發現試驗件損壞,再對試驗件進行三向小峰值加速度0. 3 g( g 為重力加速度) 的白噪聲激勵,通過隨機子空間法分析得到橋架的頻率和阻尼比,發現頻率和阻尼比基本上沒有變化,說明試驗件無損壞。
試驗中得到20 組位移結果,經統計分析得二層橫梁與1#柱交叉處X 向位移均值為5. 8 mm,標準差為0. 8 mm; 二層橫梁與1#柱交叉處Y 向位移均值為4. 2 mm,標準差為0. 2 mm。試驗結果均值與模擬結果均值比較見表4。
由表4 可知,1#柱與二層橫梁交叉處X 向位移模擬與試驗均值偏差2. 8 %,1 #柱與二層橫梁交叉處Y 向位移模擬與試驗均值偏差5. 8 %,模擬與試驗偏差均比較小,說明模擬與試驗位移均值結果基本一致。
表4 模擬均值與試驗均值比較

將X、Y 向模擬位移的概率分布和試驗的概率分布進行比較,見圖13、圖14。
從圖13 可見,X 向模擬位移概率密度分布圖“瘦高”,試驗位移概率密度分布“矮胖”,兩者的重合部分麵積隻占57. 63 %,可能是由於試驗測試過程中影響因素較多,所以試驗結果相對較為離散,而模擬條件相對比較理想化,所以結果離散性比試驗小。Y 向位移概率密度分布與X 向同理。
由上述結果可知,試驗均值結果與可靠性數值分析位移均值結果基本一致,說明運用此方法對電纜橋架進行抗震可靠性分析是可行的,可用於抗震

圖13 X 向模擬與試驗位移概率分布

圖14 Y 向模擬與試驗位移概率分布
設計分析,對電纜橋架設計具有參考價值。

陝西電纜橋架

4 結論
本文利用ANSYS 的概率分析模塊,采用反應譜法進行了電纜橋架抗震可靠性分析,..使用反應譜關鍵點概率統計參數輸入,得到了結構在人工地震載荷作用下的失效概率、位移概率分布、敏感性分析等結果。電纜橋架在人工地震載荷作用下的失效概率接近0 %,其中反應譜是影響可靠性的.主要因素。可靠性數值分析的位移均值結果與試驗位移均值結果基本一致,說明可靠性分析具有較高可信度,可用於抗震設計分析,對電纜橋架設計具有參考價值。