摘要：随着数值仿真技术的不断发展，使用有限元分析进行管道在地震荷载作用下的应力分析已经成为行之有效的抗震设计方法。而当前对于地震作用下管道应力分析中具体参数的选取、计算方法的拟定、管道安全性的评判等方面，尚未形成行业通用的准则。本文依据工程（地震烈度9级）的实际设计经验，通过行业认可的应力分析软件GLIF和CAESAR II、并对不同方法计算结果的比较与分析，确立了一套完善的考虑地震荷载作用时的动力管道计算及设计方法，可用于地震区电厂动力管道应力分析和支吊架设计。
关键词：抗震 动力管道 应力分析
前言
随着国内外电力行业的快速发展，以及电力和供热方面的需求，高烈度地震区也开始建设火力发电厂。而电厂动力管道如何进行地震工况下的应力分析，如何通过支吊架的设置达到更好的抗震效果成为了一个亟待研究的课题。
1 地震荷载作用下的汽水管道应力计算方法介绍
当前国内外电力行业通用的应力分析软件主要有东北电力设计院开发的GLIF和美国COADE公司开发的CAESAR II。这两种软件均基于有限元理论开发，将管系离散为连续的梁单元，可以计算复杂管系的受力情况。相比较而言，GLIF仅能进行管系的静态计算，CAESAR II不仅可以计算管系在静态时的受力状态，还能够计算管系在汽锤、安全阀排放、地震等动态荷载作用时的动态响应。两种软件均提供了管系在地震作用下的计算方法，但是GLIF中仅提供了静力法，而CAESAR II可以根据输入资料和设计要求选择使用静力法或动力法进行计算。
2 GLIF软件管系抗震计算分析
GLIF计及了内压，自重，外部荷载，热胀，设备接口附加位移，冷紧，安全阀排放产生的荷载，以及风载，静力地震荷载等。既能对持续荷载，又能对异常运行条件下的安全阀排放荷载、风载、静力地震等荷载进行静分析计算。
GLIF通过6工况计算地震或风荷载作用下的位移、推力、支吊架荷载、应力。将弹簧支吊架的刚度设置为程序选出的弹簧刚度，不计自重，计入地震或风荷载作用。计算的荷载、推力与2工况计算的荷载、推力叠加作为地震或风荷载作用时的荷载、推力，计算的位移与3工况计算的位移叠加作为地震或风荷载作用时的位移，计算的应力与1工况计算的一次应力叠加进行地震或风荷载作用时的应力计算与验算。
3 CAESAR II软件管系抗震计算分析
CAESAR II管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件。它既可以进行静态分析，也可进行动态分析。
3.1 使用静力法进行管道的抗震计算
CAESAR II中对于静力法和等效静力法的模拟方式是完全一样的，即将地震荷载等效为沿管系的均布荷载。在管系中定义地震荷载的起始作用位置及均布荷载的方向与大小，通过各种工况的组合得到管系在地震作用时的受力特征。与GLIF不同的是，在GLIF中仅能添加刚性约束和弹簧支吊架，而无法准确的考虑阻尼器的作用。而CAESAR II中提供了丰富的支吊形式，可以较为真实的模拟阻尼器的作用，在通过调整管道走向和增加限位无法有效降低地震破坏时，允许用户通过使用阻尼器的方法来削减地震作用。
3.2 使用动力法进行管道的抗震计算
CAESAR II的动力分析方法主要是反应谱法。地震反应谱就是体系在地震作用下，某个最大反应量（位移，速度，加速度等）与体系自振周期的关系曲线。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆地震反应谱法是利用振型分解法，将多自由度体系的地震反应转化为单自由度体系来进行分析；得出管道在地震作用下的反应值，包括位移、应力和对设备的推力和推力矩；通过调整支吊架设计或管道布置等方法，以满足规范应力与设备允许推力和推力矩的要求。
4 计算结果分析
对计算结果的分析同常规的静态计算，比如一、二次应力的校核；热位移的校核；支吊架荷载的校核等，这里不再详细说明。这里仅对管道同时计算汽锤荷载、安全阀排汽荷载和地震荷载时，支吊架结构荷载的选取方法，作出规定。
对于每个支吊架，计算结果都将考虑排汽反力、汽锤、地震的作用，但不考虑三者之间的叠加，对于每一个支吊架取三者中的计算结果最大值。
1）弹簧吊架的静态结构荷载：取max（工作荷载，安装荷载，地震工况下的荷载）×1.4。
2）弹簧吊架的结构荷载：取max（工作荷载×1.4+偶然荷载，安装荷载×1.4，地震工况下的荷载×1.4）。
3）刚性吊架的静态结构荷载：当地震工况下的荷载与工作荷载和安装荷载相差不大时，可参考弹簧吊架选取。当地震工况下的荷载数倍于工作荷载和安装荷载时，取max（工作荷载×1.4，安装荷载×1.4，地震工况下的荷载）
4）刚性吊架的结构荷载：当地震工况下的荷载与工作荷载和安装荷载相差不大时，可参考弹簧吊架选取。当地震工况下的荷载数倍于工作荷载和安装荷载时，取max（工作荷载×1.4+偶然荷载，安装荷载×1.4，地震工况下的荷载）。
5）限位支架的静态结构荷载：取max（工作荷载，安装荷载，地震工况下的荷载）
6）限位支架的结构荷载：取max（工作荷载+偶然荷载，安装荷载，地震工况下的荷载）
7）阻尼器荷载：取max（地震工况下的荷载，安全阀排汽工况下的荷载，汽锤工况下的荷载）。
5 总结
在进行管道的抗震计算之前，首先要根据相关的设计依据，判定厂址所在地的震级，确定是否需要进行抗震分析。然后根据可以收集到的地震资料的详实程度确定使用静力法还是动力法进行抗震计算。
GLIF和CAESAR II两种通用的应力分析软件均可进行管道抗震计算。GLIF仅可使用静力法计算，且不能准确模拟阻尼器的作用。CAESAR II既能使用静力法计算，又能使用动力法计算，且在两种算法中均可计入阻尼器的减震作用。
本章按照前面论述的汽水管道抗震计算方法对土耳其ZETES三期工程某管道分别进行了不考虑地震荷载时的静态分析、静力法抗震分析和动力法抗震分析，通过计算结果对比，分析了地震荷载对汽水管道受力的影响，降低地震荷载破坏的方法，以及静力法与动力法计算结果的差别。其结论如下：
1.地震荷载主要对管道产生水平作用，易导致接口反力的水平分量大幅度增加，从而导致接口力矩增大，引起设备接口的破坏；地震荷载可能会引起刚性支吊架荷载超过工作荷载或失重；地震荷载一般会引起限位支架荷载增加，超过工作荷载；地震荷载对弹簧的影响较小，基本可以忽略；地震荷载可能引起管道应力大幅度增加，接近或超过许用应力。
2.增加限位支架是增强管道抗震能力的有效手段，但当受限于土建结构生根要求及管系自身热膨胀的需求，无法设置限位支架时，可考虑改变管道走向或增设阻尼器。
3.一般而言，动力法计算结果较静力法更为保守。但往往受限于各种条件，无法得到准确的地震反应谱。根据《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》（DL/T5366-2014）P90页规定“管道地震荷载可以采用静力法进行近似计算，当需要进行比较详细的分析时，可采用动力法。因此，建议火电厂管道进行地震载荷时优先考虑采用静力法计算。
第一作者及联系人：胡克（1984-）。男，工学硕士。
论文作者:胡克,李彦峰,高丰顺
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/11
标签：荷载论文; 应力论文; 工况论文; 管道论文; 吊架论文; 静力论文; 动力论文; 《电力设备》2017年第32期论文;