一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法

本发明属于核电特种门，具体涉及一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法。

背景技术：

1、随着能源问题日益突出，核能得到大力发展，在核能的持续发展过程中首要关注的问题是核电结构的安全问题。其中，防护门作为核电建筑结构的重要防护装置，对结构整体安全性能有着关键性作用，要求其可以抵抗龙卷风及其飞射物的袭击。目前钢制防护门的抗龙卷风设计主要是设计人员依靠自身经验进行设计，此设计方法的准确与否取决于指定方案人员的经验，缺少规范流程控制，不确定性大。往往为保证防护门的结构能够满足承载要求，其设计方法多过于保守，致使抗龙卷风防护门质量较大。现有抗龙卷风钢制防护门的设计方法亟需改善。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其为防护门抗龙卷风设计提供一种完整的、准确的和简便的设计方法，能够确保防护门具备抵抗龙卷风及其飞射物的袭击的能力，解决了现有设计方法不确定性大、设计过分保守等问题，不但可以提高设计效率，降低研制费用，而且保证了抗龙卷风钢制防护门的使用效果。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，包括如下步骤：

3、s1：防护门尺寸初步设计：

4、根据设计要求确定龙卷风荷载硬飞射物参数及防护门类型、基本尺寸和材料，基于有限元法进行骨架梁初步设计，确定骨架梁布置及尺寸；

5、s2：根据龙卷风设计参数计算龙卷风设计荷载；

6、s3：基于龙卷风设计荷载进行门板厚度预测，计算得到门板厚度；

7、s4：基于等效刚度和等效截面模数法进行门板强度和挠度计算及校核；

8、s5：分别根据门板强度的校核结果和门板挠度的校核结果对步骤s3的门板厚度进行调整；

9、s6：验算骨架梁局部稳定性，如果验算未通过，则调整步骤s2的龙卷风设计荷载，直至验算通过，获取到防护门结构数据。

10、进一步地，所述步骤s1具体为：

11、依据门洞尺寸选定梁板式定型产品，确定防护门扇数量及门扇尺寸；选用材料，确定材料相关参数；确定钢管硬飞射物参数；建立实体有限元模型，开展骨架梁截面、骨架梁的数量及骨架梁布置间距的定量分析，确定骨架梁尺寸及布置形式。

12、进一步地，所述步骤s1中实体有限元模型的建立如下：按照钢制防护门初始尺寸建立有限元模型和钢管硬飞射物实体模型进行冲击响应分析，考察骨架梁截面、骨架梁数量及骨架梁布置间距对防护门抗冲击性能影响的参数分析，确定合适的设计参数。

13、进一步地，所述步骤s2中龙卷风设计荷载包括龙卷风风压荷载和飞射物的冲击荷载，其中飞射物分别考虑硬飞射物和软飞射物。

14、进一步地，所述步骤s2中龙卷风设计荷载的确定方法包括如下步骤：

15、a1：根据公式w＝kw0计算龙卷风风压荷载w，其中k为尺寸系数，w0为设计基准龙卷风风压，根据公式w0＝kρv2/2计算得到，其中，k为空气密度修正系数k，ρ为空气密度；

16、a2：硬飞射物为130kg重40号钢管，其飞射速度为龙卷风最大风速的35％，硬飞射物的冲击荷载用于确定门板厚度；

17、a3：软飞射物为质量1810kg小汽车，其飞射速度为龙卷风最大风速的35％，小汽车撞击门扇最大等效静态力依据公式fmax＝k·20.5mv计算，其中k为动力系数，取1.4，m为汽车质量，v为撞击速度；

18、a4：采用公式wmax＝fmax/s将汽车荷载等效为均布荷载，并对龙卷风风压荷载和软飞射物冲击荷载进行组合，其中s为门扇面积。

19、进一步地，所述步骤s3中根据硬飞射物的冲击荷载预测钢制防护门门板厚度，具体采用brl侵彻公式预测门板厚度值，调整门扇的总厚度，其中d为飞射物等效直径。

20、进一步地，所述步骤s4具体如下：

21、根据等效刚度和等效截面模数法将典型梁板组合结构等效为四边简支实心钢制平板进行门体强度和刚度验算，其等效方法是确定组合结构截面中性轴位置，计算组合截面惯性矩和有效截面模量，进而根据公式计算等效刚度厚度，等效模量厚度采用公式计算，其中s为骨架梁间距；防护门单面宽度最大弯矩设计值依据公式mmax＝αqa2计算，强度按公式验算，挠度按公式计算，根据防护门转角限制2°验算挠度，其中α和β分别是弯矩和挠度计算系数。

22、防护门强度及挠度校核采用防护门支撑旋转角进行评估。

23、进一步地，所述步骤s5中分别根据门板强度的校核结果和门板挠度的校核结果对步骤s3的门板厚度进行调整，如果不满足步骤s5的校核结果时，增大门板厚度。

24、进一步地，所述步骤s6中根据和验算骨架梁局部稳定性，其中，h0为骨架梁截面腹板高度，tw为腹板厚度，b1为骨架梁截面翼缘宽度，tf为翼缘厚度。

25、有益效果：本发明与现有技术相比，提供一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其为防护门抗龙卷风设计提供一种完整的、准确的和简便的设计方法，能够确保防护门具备抵抗龙卷风及其飞射物的袭击的能力，解决了现有设计方法不确定性大、设计过分保守等问题，不但可以提高设计效率，降低研制费用，而且保证了抗龙卷风钢制防护门的使用效果。

技术特征：

1.一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其特征在于，所述步骤s1具体为：

3.根据权利要求2所述的一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其特征在于，所述步骤s1中实体有限元模型的建立如下：按照钢制防护门初始尺寸建立有限元模型和钢管硬飞射物实体模型进行冲击响应分析，考察骨架梁截面、骨架梁数量及骨架梁布置间距对防护门抗冲击性能影响的参数分析，确定合适的设计参数。

4.根据权利要求1所述的一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其特征在于，所述步骤s2中龙卷风设计荷载包括龙卷风风压荷载和飞射物的冲击荷载，其中飞射物分别考虑硬飞射物和软飞射物。

5.根据权利要求4所述的一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其特征在于，所述步骤s2中龙卷风设计荷载的确定方法包括如下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其特征在于，所述步骤s3中根据硬飞射物的冲击荷载预测钢制防护门门板厚度，具体采用brl侵彻公式预测门板厚度值，调整门扇的总厚度，其中d为飞射物等效直径。

7.根据权利要求1所述的一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其特征在于，所述步骤s4具体如下：

8.根据权利要求1所述的一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其特征在于，所述步骤s5中分别根据门板强度的校核结果和门板挠度的校核结果对步骤s3的门板厚度进行调整，如果不满足步骤s5的校核结果时，增大门板厚度。

9.根据权利要求1所述的一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，其特征在于，所述步骤s6中根据和验算骨架梁局部稳定性，其中，h0为骨架梁截面腹板高度，tw为腹板厚度，b1为骨架梁截面翼缘宽度，tf为翼缘厚度。

技术总结
本发明公开了一种抗龙卷风钢制防护门结构设计方法，包括：防护门尺寸初步设计：根据龙卷风设计参数计算得到龙卷风设计荷载；基于龙卷风设计荷载进行门板厚度预测，计算得到门板厚度；基于等效刚度和等效截面模数法进行门板强度和挠度计算及校核；分别根据门板强度的校核结果和门板挠度的校核结果对门板厚度进行调整；验算骨架梁局部稳定性，获取到防护门结构数据。本发明为防护门抗龙卷风设计提供一种完整的、准确的和简便的设计方法，能够确保防护门具备抵抗龙卷风及其飞射物的袭击的能力，解决了现有设计方法不确定性大、设计过分保守等问题，不但可以提高设计效率，降低研制费用，而且保证了抗龙卷风钢制防护门的使用效果。

技术研发人员：张文娜,高锦宁
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13