电缆桥架抗震动态特性试验及响应分析★

胡服全　朱翊洲　高文军

(1．国核华清核电技术研发中心有限公司，北京　102209;　2．上海核工程研究设计院，上海　200233; 3．招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067)



·结构·抗震·

电缆桥架抗震动态特性试验及响应分析★

胡服全1朱翊洲2高文军3

(1．国核华清核电技术研发中心有限公司，北京102209;2．上海核工程研究设计院，上海200233; 3．招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)

摘要:试验研究了电缆桥架结构的抗震动态特性，得到了电缆桥架的频率和阻尼，分析了电缆桥架立柱的加速度、位移和应变变化规律，利用ANSYS建立有限元模型，对电缆桥架试验工况进行时程分析，结果显示，模拟结果与试验结果相符，说明利用时程分析能较为准确地反映结构动力响应。

关键词:电缆桥架，模态分析，时程分析，抗震性能

地震是地球上的自然灾害，给人类社会造成损失，甚至带来了极大的灾难。全球每年都发生地震，有不少地震给震区人民带来巨大的生命财产损失。我国处在世界两大地震带之间，发生过许多破坏性很大的地震。比如1976年的唐山大地震，2008年的汶川大地震等，均造成重大人员伤亡及经济损失，因此有必要加强各种建筑及结构的抗震设计。核电站中用电缆桥架属核安全三级、抗震Ⅰ类设备，必须具有良好的抗震性能，这是核电站在地震中安全运行或安全停堆的重要条件［1］，许多科研者对核电站用的钢制电缆桥架抗震性能进行了研究［1，2］，但试验研究较少。

本文以电缆桥架结构为研究对象，进行了动态特性试验及响应分析。研究结构抗震需要了解结构动态特性，特别是在结构设计时，要使结构的振动频率远离固有频率，从而减小振动影响。为了能够较为准确的预测结构的振动响应，通常需要使用有限元、统计能量法等数值计算方法对实际振动系统进行建模分析［3］。

1　动态特性试验

1．1电缆桥架试件

试件模型结构见图l，电缆桥架试验模型为Q235钢结构，试验件包含立柱、横梁和托板，总共三层。试验件与支撑件通过厚板连接，固定螺栓为10．9级高强度螺栓。

图1　电缆桥架模型

1．2试验

对空载电缆桥架进行白噪声激励，白噪声峰值加速度0．2g，分别进行X，Y向输入，采集各测点加速度信号;对满载电缆桥架进行白噪声激励，白噪声峰值加速度为0．3g，进行X，Y，Z三向同时输入，采集各测点加速度信号，利用随机子空间法［4，5］进行模态识别，确定频率和阻尼比。测量立柱上的振动加速度、位移和应变。

2　试验结果

2．1频率、阻尼分析

根据试验测得的加速度，利用随机子空间法进行模态识别，得空载电缆桥架X向整体振型第一阶频率7．31 Hz，Y向整体第一阶频率13．23 Hz，阻尼比3．2%;满载电缆桥架X向整体振型第一阶频率4．7 Hz，Y向整体振型第一阶频率8．0 Hz，阻尼比3．6%。电缆桥架结构频率与载重有关，满载时的频率小于空载时，见表1。

表1　电缆桥架结构频率

2．2加速度响应分析

对满载电缆桥架的加速度响应进行分析，得到1号，2号，3号，4号立柱顶部测点X向、Y向、Z向峰值加速度放大系数，见图2。

图2　峰值加速度的放大系数

X向的放大系数最大，Y向的放大系数次之，Z向的放大系数最小，同一方向不同立柱的放大系数偏差不大。其中加速度峰值放大系数为测量的加速度峰值与输入地震台的加速度峰值之比。

2．3位移响应分析

对满载电缆桥架的位移响应进行分析，得到满载的电缆桥架1号立柱上(立柱顶部)、中(立柱与第二层托板交叉处)、下(立柱根部)三处测点的X向位移时程，见图3，1号柱X向上测点位移最大，中测点位移次之，下测点位移最小。

图3　X向位移时程试验结果

2．4应变响应分析

对满载电缆桥架的应变响应进行分析，得到不同立柱的Z向弯曲应变，见图4，可知1号柱比3号柱Z向弯曲应变略大些。

图4　不同立柱Z向弯曲应变时程试验结果

3　动力时程分析

3．1有限元模型建立

采用ANSYS建立有限元模型，建模中进行了简化处理，电缆桥架模型中托板及底座采用Shell63单元，立柱与横梁采用Beam4单元，螺栓采用Beam188单元，电缆桥架有限元模型见图5。

图5　电缆桥架有限元模型

3．2时程分析

对满载电缆的电缆桥架试验工况进行模拟，以地震台面X，Y，Z加速度时程作为模拟载荷输入，所用阻尼比由试验得为3．6%。时程分析得到1号立柱上中下三处测点X向位移时程，见图6。

图6　X向位移时程模拟结果

由图6可知:1号柱X向上测点位移最大，中测点位移次之，下测点位移最小。时程分析得到不同立柱的Z向弯曲应变比较，见图7，1号柱比3号柱稍大些。

图7　立柱Z向弯曲应变时程模拟结果

3．3与试验结果对比分析

试验与模拟均得到:1号柱X向上测点位移最大，中测点位移次之，下测点位移最小，即立柱的振动位移从上至下减小;立柱根部弯曲应变最大，不同立柱Z向弯曲应变值偏差较小。电缆桥架在振动中是否会损伤，主要取决于最大弯曲应变是否超限，所以只比较弯曲应变和振动位移大的测点。对1号柱顶部测点X向模拟位移时程与试验位移时程进行比较，见图8。由图8可知，模拟与试验结果的位移变化趋势一致，不同时刻的位移值偏差也较小。

图8　1号柱顶部X向位移时程模拟与试验比较

对1号柱根部测点Z向模拟得到的弯曲应变时程与试验得到的弯曲应变时程进行比较，见图9。由图9可知，模拟结果与试验结果的弯曲应变变化趋势一致，不同时刻的弯曲应变值偏差也较小。综上所述，理论结果与试验结果吻合良好，两者相互印证，说明建立的电缆桥架模型符合工程实际，利用时程分析可以较为准确地反映结构动力响应。

图9　1号柱根部Z向弯曲应变时程模拟与试验比较

4　结语

本文对电缆桥架进行了抗震动态特性试验及响应分析，分析了电缆桥架立柱上的振动加速度、位移和应变变化规律，建立有限元模型，对试验工况进行时程分析，并与试验结果进行对比，结果显示结果相符，两者相互印证，对电缆桥架设计具有参考价值。

参考文献:

［1］杨德生，孙柏涛，胡少卿．核电站用钢制梯架式电缆桥架抗震性能研究［J］．世界地震工程，2008，24(2):54-59．

［2］陈文强．AP1000设备抗震鉴定要求与核级电缆桥架的抗震性能鉴定［J］．硅谷，2012(11):160-162．

［3］Lyon R H，Madanik G．Power flow between linearly coupled oscillators［J］．The Journal of the Acoustical Society of America，1961，34(5):623-639．

［4］李慧，周晶，杜永峰，等．随机子空间法参数识别与有限元分析［J］．低温建筑技术，2008，125(5):46-48．

［5］张敏，赵青，黄俐．模拟环境激励下钢管混凝土拱桥模态分析［J］．山西建筑，2013，39(1):134-135．

中图分类号:TU352

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0026-02

收稿日期:2016-04-03 ★:国家科技重大专项经费资助项目(项目编号:2012ZX06004-012)

作者简介:胡服全(1978-)，男，工程师

Dynamic characteristics test and response analysis of cable tray structure★

Hu Fuquan1Zhu Yizhou2Gao Wenjun3
(1．State Nuclear Power Technology Research＆Development Centre，Beijing 102209，China; 2．Shanghai Nuclear Engineering Research＆Design Institute，Shanghai 200233，China; 3．China Merchants Chongqing Communications Technology Research＆Design Institute Co．，Ltd，Chongqing 400067，China)

Abstract:Dynamic characteristic test of the cable tray structure had been studied，the frequency and damping of cable tray were obtainted，the change rule of vibration acceleration displacement and strain were discussed．The finite element model was established by using ANSYS for time history analysis，it shows that the simulation and the experimental result is consistent，the time history analysis can accurately reflect the dynamic characteristics of the cable tray structure．

Key words:cable tray，modal analysis，time history analysis，seismic performance