CN107688718A - 一种避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，该方法首先计算得到管道各点的温度变形位移；然后计算得到管道的模态结果，包括所有需要的固有频率和各阶振型；通过综合分析管道的温度变形位移和各阶振型位移，找到降低地震位移需要增加支架的位置，在不影响或少影响温度变形位移的位置上施加刚性约束。本发明可以得到既满足温度应力，同时也满足地震应力的管道支撑设计，这种布置方案可以避免使用或少使用阻尼器，就可以大大降低电厂或其它有抗震要求的工程管道建设的投资。

Description

一种避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法
技术领域
本发明涉及结构的动力载荷分析技术，具体涉及一种避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法。
背景技术
工业界对管道力学计算要考虑的载荷很多，尤其是核电站需要考虑所有的温度工况条件，还要考虑地震等动态载荷的影响。众所周知，管道温度载荷和地震载荷是一对矛盾，满足温度载荷的条件，是增加管道系统的柔性(或说降低管系的刚性)。而与其相反，满足地震载荷的条件，是增加管道系统的刚性(或说降低管系的柔性)。对管道柔度(或刚度)的改变是此领域技术人员的基本技能。
在实际工程管道布置设计时，单纯满足温度应力比较容易实现，柔度足够大，变形不受限制，就可以满足要求。同时，单纯满足地震应力也比较容易实现，刚度足够大，就可以满足要求。但是如果既要满足温度应力，同时又要满足地震应力就不容易实现了。目前用的比较多的办法就是在需要增加抗震刚度的位置，安装支架，当那里还要留出温度位移的空间时，就要在那个位置设置阻尼器，阻尼器的特点是对慢速载荷不起约束作用(如温度变形)，但对高速载荷(如地震)，它就像一个刚性支撑。
阻尼器成本很高，远大于刚性支架的成本，大量使用它，不但会使管道系统部件成本增加，而且还会大大增加管道系统的运行成本，因为阻尼器本身可能会失效，例如核电站就规定每年必须检修10％的阻尼器，而这个检修需要把阻尼器拆下来，在特定的设备上测试该阻尼器的完好性，确认后，或者更换或者维修，或者没有问题需重新装回管道系统，这一过程就降低了系统的经济性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，尽量使用刚性支架来做管道设计，以降低建造成本。
本发明的技术方案如下：一种避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，包括如下步骤：
(1)计算得到管道各点的温度变形位移；
(2)计算得到管道的模态结果，包括所有需要的固有频率和各阶振型，以及地震位移；
(3)综合分析管道的温度变形位移和各阶振型位移，找到降低地震位移需要增加支架的位置，在不影响或少影响温度变形位移的位置上施加刚性约束；
(4)进行施加刚性约束后的应力计算，查看应力和支架反力，如不满足设计要求则返回步骤(1)重新设计。
进一步，如上所述的避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，步骤(1)中得到管道系统的温度位移图，所述温度位移图为包含管道各点位移的大小和方向的三维图形。
进一步，如上所述的避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，步骤(3)中所述的地震位移是由各阶振型位移组合而成。
进一步，如上所述的避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，步骤(3)中所述的需要增加支架的位置不能是地震位移和温度位移的方向一致的位置。
进一步，如上所述的避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，步骤(3)中在与温度变形位移垂直的平面内施加刚性约束。
本发明的有益效果如下：本发明在考虑了管道温度变形原理，以及地震载荷的变形原理，还根据刚性约束的特点，将这几方面的理论知识通盘考虑，在正确的位置和方向上，施加正确的刚性约束。这样就可以得到既满足温度应力，同时也满足地震应力的管道支撑设计，这种布置方案可以避免使用或少使用阻尼器，就可以大大降低电厂或其它有抗震要求的工程管道建设的投资。
附图说明
图1为本发明避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法流程图；
图2为实施例中两直管道相交的交点只考虑温度时的变形示意图(X-Y平面内)；
图3为实施例中图2的两直管道在a点增加两个刚性支架的示意图；
图4为图3的三维的管道和支架示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明利用的技术原理就是温度应力是由温度变形受约束而产生的，而温度变形一定是有确定方向的。管道布置时，只要在温度变形方向上释放约束，就不会产生大的温度应力。原则上，在垂直于温度变形的方向上施加约束不会对温度应力产生大的影响。因此就要找到特定的管道布置下的温度变形，这个变形要是各个点的确切的有方向、有大小的位移变形。然后再看动态结果中，哪里的内力或内力矩最大，以及造成此结果大的都包括哪些振型，再根据各个振型的变形，综合考虑温度应力的情况，决定施加刚性约束的位置。这个刚性约束不能限制该点的温度位移，也就是此约束要尽量施加在与温度位移方向垂直的位置上。
下面介绍结构动力响应的原理，这样可以看到振型与最终动力响应的关系。首先结构的动力方程如下：
其中：M为结构质量，C为结构阻尼，K为结构刚度，U为结构结点位移，为结构基础加速度时间历程。
求解无阻尼固有振动,能得到n个振型Φ1,Φ2,...,Φn-1,Φn，
由(1)式简化后将得到下式，其中ωi为结构第i阶固有圆频率:
由地震力理论可导出振型反应的最大值:
式中βix--动力放大系数，时βix的值。
g--重力加速度，
kox--g级加速度系数，对于地震情况即是地震系数，由地震烈度决定，
ηix＝φi TMδox--振型参予系数，
其中δox＝[1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0… … 1 0 0 0 0 0]T
其中βix为动力放大系数，它是地震反应谱给定的，实际就是加速度系数。
振型反应的组合可采用如下方法求得：
这里的NF为结构的NF个有意义的振型。U为结构的动力响应，此式表示结构的总响应为各阶振型响应的组合结果。求结构振型响应的组合方法很多，通常要考虑密集频率的影响(两振型间的频率差小于10％时，认为这两个频率是密集的)，不同的规范要求，对密集频率的组合方法是不同的。本发明只是给出了标记密集频率的方法，而具体组合方法的考虑根据采用的规范要求进行。
这里的公式(3)是关键，因为后续的计算是以此为基础，此公式代表了地震响应的最主要关系。即结构响应q与其固有圆频率ω的平方成反比，还与谱加速度成正比。得到管道位移的主要条件包括，管道固有频率和反应谱加速度，还和各阶振型φi有关，是它们的和的函数，这可以由最后一个有关位移U的公式看出来。
这里可以看到三点：首先，反应谱加速度越大，响应越大，它们成线性关系。其次，最低频率的影响最大，越高的频率影响越小，它们按照二次方的比例在减小，所以通常只考虑较低的几阶频率即可，频率很高以后其影响可以忽略。再有，结构响应与各阶振型位移φ有关，它主要是与较低频率的各阶振型φ的和成正比。由此可以确定应该在哪个位置上施加约束，可以有效地降低地震应力。
如图1所示，本发明首先计算管道的温度变形位移，得到管道系统的温度位移图，这里的温度位移图是包含有管道各点位移方向和大小的三维图形。然后计算得到管道的模态结果，包括所有需要的固有频率和各阶振型，进行地震分析，找到地震应力过大的位置，并且找到减少此地震应力的有效的施加约束的位置和方向。这时要综合分析温度变形，施加地震约束时不要限制或少限制温度位移，使用刚性支架进行约束，不能简单地直接加在要约束地震位移的位置，要考虑尽可能不要限制温度变形，在与温度变形垂直的平面内施加约束不会影响温度变形。例如某点温度变形在X方向，这时的约束要加在YZ平面内，它不会限制温度变形。对于复杂管道，只要温度是单一的，它的各个点的温度变形方向就是唯一的，只有温度高低产生的变形大小不同，而方向不会改变。地震应力大的位置很容易确定，再通过振型分析，找到造成地震应力大的振型也是比较容易的。根据这些条件，综合考虑温度位移，在不影响或少影响温度位移的位置上加刚性支架，支架方向要垂直于温度位移方向，但要考虑对降低地震位移有贡献，注意这里可能不是直接的贡献，它在其约束方向上的贡献可能是管道其他位置上的地震变形。最后进行施加刚性约束后的应力计算，查看应力和支架反力，如不满足设计要求则重新设计。由于增加了刚性约束，管道模型就改变了，这时的振型和地震位移一定会有改变，同时对温度变形也会有一定影响。对修改后的模型进行计算，会得到新条件下的温度和地震变形。如新模型的结果仍不满足要求，可再按同样方法从头开始修改分析。
下面结合图形实例来说明本发明实际的工程效果，图2和图3是俯视图，图4是斜视图，它表示了刚性约束方向不在水平面内。图2是一假设管道布置，由于温度作用，管道会产生较大温度变形，两直管道相交的交点会由a点变形到b点。如果管道布置如此，最大地震变形将在垂直方向上，而最大地震应力会发生在管道两端的根部，振动位移预计是在Z(垂直)方向上。此时在a点施加一个Z方向的刚性约束就可以解决问题。但是如果温度较高，或管道较长，则此温度变形较大，只在一个方向上施加刚性支撑是不够的，还有水平方向的震动没有解决。对于水平方向的约束通常就要加阻尼器了，因为此时不能把温度位移限制死，但要限制振动位移。而通过前面的原理分析和本发明的方法分析，可以如图4所示，在图2所示温度位移线垂直的平面内，大约在45度方向和纸面垂直的面内，施加两个交角为90度的刚性约束g1和g2。这样可以既限制了垂直位移，也限制了水平方向的位移，但没有限制温度变形，这就满足了温度工况要求的同时也满足了地震工况的要求，而且，使用刚性支撑较使用阻尼器要经济得多。
需要注意的是，上述具体实施例仅仅是示例性的，在本发明的上述启示下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本专利的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，包括如下步骤：
(1)计算得到管道各点的温度变形位移；
(2)计算得到管道的模态结果，包括所有需要的固有频率和各阶振型，以及地震位移；
(3)综合分析管道的温度变形位移和各阶振型位移，找到降低地震位移需要增加支架的位置，在不影响或少影响温度变形位移的位置上施加刚性约束；
(4)进行施加刚性约束后的应力计算，查看应力和支架反力，如不满足设计要求则返回步骤(1)重新设计。
2.如权利要求1所述的避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，其特征在于：步骤(1)中得到管道系统的温度位移图，所述温度位移图为包含管道各点位移的大小和方向的三维图形。
3.如权利要求1所述的避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，其特征在于：步骤(3)中所述的地震位移是由各阶振型位移组合而成。
4.如权利要求1所述的避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，其特征在于：步骤(3)中所述的需要增加支架的位置不能是地震位移和温度位移的方向一致的位置。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的避免使用阻尼器的高温管道抗动力载荷的设计方法，其特征在于：步骤(3)中在与温度变形位移垂直的平面内施加刚性约束。
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