核电厂管道支架刚度的数学计算方法

核电厂管道支架刚度的数学计算方法
摘要：管道支架的刚度和强度是保证管路完整性的重要性能。

其中根部件作
为管道支架的主要部分，对其刚度的校验极为关键。

通常，根部件的刚度校验需
要通过力学软件进行，本文通过对材料刚度计算理论的分析，给出了核电站常用
支架典型根部件（悬臂梁、Г形梁、两端固定梁、两端固定Г形梁、门型结构）的数学计算方法。

对于计算结果，使用anasy模拟软件进行校验，确定其产生的
偏差较小，满足工程使用需求。

利用这些刚度计算方法，非力学专业的设计人员
也能自行校验根部件的刚度条件，为核电厂的支吊架设计提供了计算依据。

关键词：支架刚度；力学计算；根部件
1 前言
一切材料在受到外力作用下均会发生变形，弹性材料在外力消除后将恢复原样，为表征材料或构件在受力时抵抗弹性变形的能力，材料力学中引入刚度这一
概念。

刚度是指在宏观的弹性范围内，载荷与位移间的正比例系数，即发生单位
位移时的载荷。

在工程中，刚度不足的构件可能导致整个结构的失稳，或在外力
作用下发生震颤等不良状态，造成安全隐患。

因此构件不仅要满足工作强度要求，还应具备足够的刚度，以保证其工作过程中的变形满足许可限值，保证构件的正
常工作。

[1]
在核电工程中，高温高压管线比比皆是，流体介质多为酸碱腐蚀性液体，且
很多系统管线带有放射性，因此管路的完整性对整个核电站甚至对周边环境的安
全至关重要。

管道支吊架作为管线的主要支撑构件，其在各种工况条件下的强度、刚度情况对整个工艺管线系统正常工作起着重要作用。

管道支吊架主要由管部件、连接件和根部件三部分组成。

其中管部件尺寸小，产生的变形在支吊架的总位移
中贡献较小，而根部件通常尺寸较大，其刚度对支吊架的位移有较大影响。

根部
件主要有悬臂梁、Г形梁等形式，通过焊接或者螺栓连接等方式固定在建筑结构
上[2]。

本文以材料力学理论为基础，针对核电厂管道支吊架涉及的几种典型根部件，对其刚度进行计算推导与理论分析，并对其准确性进行了验证。

2 刚度计算理论
对于结构或受力情况较为复杂的根部件，直接获得其刚度的计算公式较为困难，通常先建立简单且通用的基础模型作为分析单元，将复杂的结构按基础模型
进行分解，通过对基础模型的分析计算获得整体的刚度计算公式。

设定刚度分析的基本模型为一端自由，另一端相对固定，外力作用位置为自
由端。

对其受力情况进行划分则分为：外力导致其沿长度方向的拉伸与压缩、外
力导致其发生弯曲变形、外力导致其发生扭转变形等，如图1所示。

图1 典型外力作用下分析单元的变形：a) 沿长度方向的压缩；b) 力导致
弯曲变形；c) 矩导致弯曲变形；d) 矩导致扭转变形
3 核电厂典型根部件刚度计算
核电厂中常用的根部件有悬臂梁、Г形梁、两端固定梁、两端固定Г形梁、门型结构等形式[2]。

除悬臂梁结构简单，可直接获得其刚度计算公式外，其他结
构均有多个基础构件或多个约束，尤其是两端固定的超静定结构，直接计算其刚
度较为困难，而通过基础模型的组合则可大大简化分析过程，而且整个分析过程
更易于理解。

对于两端固定Г形梁、门型结构的力学分解如图2所示。

图2 超静定结构力学分析示意图：a) 两端固定Г形梁；b) 门型结构
4 典型根部件刚度计算值的校验与分析
在国家标准GB/T 706-2016 热轧型钢、GB/T 11263-2017 热轧H型钢和部分
T型钢、GB/T 3094-2012 冷拔异型钢管中[3-5]，对工字钢、槽钢、角钢、H型钢、T型钢、方钢等常用型钢的尺寸、外形、重量、惯性矩及偏差都给出了详细的要求。

由中国核电工程有限公司郑州分公司自主研发的支吊架强度、刚度核算程序——ACP1000支吊架核算程序（后简称程序），其内置三维建模平台，支持任意
形式的刚性支架，并调用力学分析软件——Ansys对支架进行模拟计算。

发现各
类根部件的刚度计算结果偏差不超过10%，可用于工程使用。

5 结论
本文通过建立刚度计算的分析单元，讨论分析单元的刚度计算方法，分析了
核电工程中常用支架典型根部件，如悬臂梁、两端固定梁、Г形梁、两端固定
Г形梁、门型结构的刚度计算方法。

利用ACP1000支吊架核算程序对所得到的公
式进行了校核。

通过对比发现，本文得到的各计算公式准确度较高，可直接用于
工程计算。

参考文献：
[1] 王国超, 材料力学[M], 重庆:重庆大学出版社, 2014:1, 59-62, 105, 143-144.
[2] Q/CNPE.J105.6-2010 核电站标准支吊架手册[S], 北京:中国核电工程
有限公司.
[3] GB/T 706-2016 热轧型钢[S].
[4] GB/T 11263-2017 热轧H型钢和部分T型钢[S].
[5] GB/T 3094-2012 冷拔异型钢管[S].。