核电厂抗震风管支架自动化设计研究

俞冬良（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233)

风管用支架不仅在核电项目中，而且在民用及其他工业项目中有着较为广泛的应用，但项目特点不同，民用的常采用传统重力支吊架，是以承受重力为主要荷载的支撑系统，并不具备抗震能力，尤其不能满足目前主流第 3 代核电项目的抗震要求。在核电方面，20 世纪 80年代，国内曾起草过一份 EJ 386—1989《三十万千瓦压水堆核电厂安全有关的风管道支架设计规范》，但受当时的计算机发展限制，并没有借助自动化计算工具进行辅助设计。

国外，对于工业项目支架结构研究较多的往往是一些较为成熟的成套产品供应商，其支架计算软件所采用的规范标准以美标和欧标为主，在标准方面与第 3 代非能动核电项目基本吻合，但由于其主要目的是为了实现产品的配套设计，所以对产品目录之外的其他结构形式或截面类型并不具备设计能力。

因此开展核电厂抗震风管自动化设计研究，开发出适用于国内核电厂常用风管支架形式和截面类型、满足第 3 代核电抗震要求的风管支架计算程序，显得十分迫切和必要。

1 自动化设计的可行性

目前国内核电厂支架设计所采用的规范标准以美标和欧标为主。以第 3 代非能动核电项目为例，使用 GTStrud l 有限元软件建立计算模型，对风管支吊架进行计算。根据美国钢结构规范 AISC—S—335—1989[1]和焊接规范 AWS D 1.1—2010[2]，对风管支吊架构件和焊缝进行验算。

经过第 3 代非能动核电项目大量抗震风管支架的设计实践，发现抗震风管支架在设计方法、设计流程与结构评定等方面基本一致，具有明显的可重复性，但抗震风管支架设计仍存在布置形式混乱、截面选用不统一、力学验算重复工作多、计算效率低下等问题。经研究总结发现，目前抗震风管支架设计普遍存在以下自动化改进项。

（1）对于同一类型的支架， 由于支架尺寸和构件截面的差异都需要重新建立有限元模型，不仅重复劳动，还容易造成人为错误。

（2）GTStrud l 有限元软件输出的节点荷载往往以模型整体坐标系或单元局部坐标系的形式输出，在节点焊缝验算时需要人工转换。

（3）支架节点焊缝以围焊为主，焊缝长度与构件截面相关，目前手动计算无法与有限元模型中的构件关联，自动化程度低。

但通过梳理发现，大多数支架形式较为简单，非常适合开展自动化分析。因此从截面类型和几何尺寸繁多的支架中抽象出几类标准形式，借助计算机进行参数化建模和标准化设计已成为支吊架设计的发展趋势。

2 研究思路

抗震风管支架的自动化研究从标准抗震支架类型梳理、标准抗震支架基本参数确定和支架构件截面库建立三个方面推进，为最终实现标准抗震支架自动化设计程序开发创造基础和条件。

2.1 标准抗震支架类型梳理

通过梳理，从核电厂大量抗震风管支架中筛选出几类标准形式，作为自动化设计研究的对象。图1～ 2 是第 3 代非能动核电厂中两类最常用的支架类型，占风管支架总量的15%～25%。以标准支架作为研究对象，既保证了研究方法的可实施性，同时又保证了研究标准支架在总支架中占比的价值。

图1 标准支架类型 1

图2 标准支架类型 2

2.2 标准抗震支架基本参数确定

标准抗震支架的基本参数包括几何参数、材料参数、截面类型、荷载信息、支架类型、布置方向和支架生根处的地震加速度等。其中几何参数用于确定标准抗震支架有限元模型中的节点坐标，是参数化建模的关键参数。标准支架类型1 的几何参数定义可参考图3。

图3 几何参数定义（标准支架类型 1）

2.3 支架构件截面库建立

目前第 3 代非能动核电厂的抗震风管支架多采用圆形方钢截面及等边角钢截面型钢。GTStrud l 有限元软件中并不支持国标型钢库，因此需参考国标规范 GB/T 3094－2012《冷拔异型钢管》和 GB/T 706－2008《热轧型钢》在GTStrud l 中建立圆角方钢和等边角钢两类截面库。

2.4 标准抗震支架自动化设计程序开发

标准抗震支架自动化设计程序基于 VB 6.0 平台进行开发，借助 VB 6.0 的窗体，将基本参数转化为有限元软件可识别的命令流文件，然后通过 VB 调用有限元软件运行命令流文件，得到风管支架的内力结果文件和杆件验算结果，再使用 VB 从内力结果文件中提取支架节点反力进行节点计算，最后将计算结果自动写入 word 文档，形成正式的计算报告。整个标准抗震风管支架自动化设计程序的数据传递关系见图4。

图4 标准抗震风管支架设计数据流

3 研究成果及优势

依照本文的研究思路，已开发出一套以 GTStrud l 结构有限元分析软件为核心，采用参数化输入界面，内置国标型钢截面库，并以美标 AISC—S— 335 和 AWS D 1.1— 2010 作为验算规范的自动化计算软件。该软件具有以下优点。

（1）实现标准抗震风管支架的参数化建模，替代设计人员大量人工操作，避免人工误操作，同时可节省约 90%人工时。

（2）用软件的形式将设计方法和设计流程固化，实行一次验证反复使用的目的，可大大减少校核和审核的工作量。

（3）借助计算机技术可实现对几十种工况的分别验算，采用精细化计算取代归并和包络计算，避免设计裕量过度累积，提高了设计产品的经济性。

（4）实现支架构件截面和布置形式的标准化，可以减少采购成本，缩短施工周期。

（5）软件可实现有限元模型自动生成、杆件和节点自动复核、计算报告自动生成等多项功能，真正实现了标准抗震风管支架的全流程自动化设计。

4 结 语

在全社会都在提倡“大众创业，万众创新”的大背景下，如何实现传统行业技术创新、工具创新，如何提高工作效率和产品的经济性，值得技术人员思考。本文以核电厂抗震风管支架的自动化设计研究为切入点，从截面类型和几何尺寸众多的支架中抽象出几类标准形式，确定每类标准支架的基本参数，并借助计算机对标准支架进行参数化建模和标准化设计，大大提高了标准支架的设计效率和质量。通过核电厂标准抗震风管支架的自动化实践，给广大技术人员提供了一个全新的设计思路和研究方向。