抗震概念設計及其在核電站抗震設計中的若干應用建議

孫宗光 錢國楨 倪一清

(1.大連海事大學，大連116026;2.原杭州市抗震辦公室，杭州310016;3.香港理工大學，香港)

1 抗震概念設計概述

1.1 關于概念設計

以往的結構設計(稱為常規設計)是先由建筑或者工藝確定結構布局，后在若干假定的基礎上把結構抽象為計算模型簡圖，再根據作用在結構上的荷載去計算結構內力，然后依據內力去進行截面設計強度校核、結構位移校核等，這是一種抽象的、數值的、局部的、孤立的、定量的設計方法。林同炎在《結構的概念和體系》一書中首次提出了結構概念設計的思想[1]。他認為概念設計是從結構受力合理性的整體概念出發，是直觀的、概念的、整體的、系統的定性設計，依據力學基本原理去指導一個工程的設計。它必須參與工程設計全過程、全系統的設計，因此概念設計要從結構布局開始，而不是被動地接受一個既成事實的布局，把結構設計僅僅限于計算與校核[2]。首先要考慮合理的、明確的傳力途徑，在合理的假定基礎上建立符合實際的模型以及整體結構合理的耗能機制，使結構承載力最大化，而破壞時的損失最小化。文獻[3]曾簡要地談到核電站工程抗震概念設計的重要性，但是，在現行的《核電站抗震設計規范》中，并未提及抗震概念設計問題，因此在已建成的核電站中，一般都沒有系統地考慮有關問題。為此有必要詳細地論述一下這個問題，并且提出若干具體建議，供有關人員參考。

1.2 概念設計在抗震設計中的重要意義

由上文可知，常規設計是必須建立在若干假定的基礎上，才能取得抽象的計算模型、進一步進行數值計算。對于常規的結構在已知荷載作用下，這種設計方法還是可行的。但是，應用于地震作用下的復雜結構體系的設計，它的可信度就會大大降低。

首先由于地震影響的復雜性和不確定性。地震在時間、空間、量級上的不確定性與不可預測性造成設計無法將作用力精確量化，因此很難保證定量設計的可靠性。因為地震作用不但與地震震級、震源深度、建筑場地地質條件有關，還與結構布局和剛度、質量分布相關，所以要求得準確的地震作用荷載是十分困難的。雖然現在設計采用時程分析方法，可以直接輸入場地地震波，但是這是以往的、他處的地震波，不能說明以后的本地的地震波與其一致;其次，目前計算方法存在局限性。如地震三要素(峰值加速度、頻譜組成、持續時間)在反應譜法中無法全面反映;時程分析法采取輸入的地震波并不能代表真實的地震波，因為一般地震波具有六個自由度，即三個平移分量、三個轉動分量，但是到目前為止還沒有地震波的轉動分量記錄，所以無法準確考慮地震對結構的真實的定量影響;第三，具有一個復雜布局、復雜連接的結構，要進行復雜耦聯的地震響應分析，不是一個輕而易舉的事。因此我們認為對一個復雜結構的抗震設計，必須重視抗震概念設計，而這正是以往設計的不足。

總之，抗震概念設計是不著眼于抽象的計算模型、計算方法、計算數值、計算結果，而是著眼于結構總體地震反應，從地震時的破壞機制、破壞過程出發，去調整結構設計方案的整體布局，使結構具有簡捷清晰的傳力途徑、合理的耗能分配，以達到從根本上減少地震響應，提高結構整體抗震性能，達到結構的地震響應成為可求解和預控的目的。

1.3 核電站的抗震設計必須重視抗震概念設計

以往有關核電站由地震或者操作失誤造成嚴重核擴散災害的事實，迫使我們對核電站的設計安全問題，必須進一步的慎重思考。但是，從以往的一些核電站抗震設計與規范[4-6]中了解到，它們常常十分重視計算方法的精確性，而對其概念設計問題較少提及，如整體合理布局、明確計算簡圖、清晰傳力路徑、加強連接多道設防、平面規則減少扭轉、豎向連續避免突變、減輕自重減少響應、強化構造措施、消除薄弱環節、增加構件延性、防止突然破壞、避免整體倒塌等。這些原則不但在新設計時應該考慮，而且在對一些已建的核電站，為了提高抗震性能、減少事故損失而采取的加固改造工程時，也可供決策參考。雖然核電站結構具有特殊性，但是對于所有結構物的抗震問題是存在共性的。

任何工程結構的合理設計，必須具備兩個基本條件:一個是符合實際的可求解的計算模型，另一個是正確的可預估的荷載。我們前面已經談到抗震計算的困難，首先是很難確定準確的可預估的荷載;其次，核電站結構抗震計算的有關結構分析模型與計算假定都存在很多近似性。為便于抗震分析，常常將一個復雜結構分成主結構與次結構，且需要解耦以使計算簡化可行。但是，現行的核電站抗震設計規范中規定的解耦準則存在一些問題。特別是在考慮到有時主次結構很難區分，或者主結構與耦聯的次結構存在不同阻尼時，或者它們存在多個接地支點時，計算理論的困難不是一個準則可以簡單解決的。有的組件工作狀態復雜，很難簡化為一個簡單的計算模型，這時就需要經過實體或者模型試驗才能近似確定地震響應。由此可見，對核電站這樣復雜而且特別重要的工程結構，常規定量設計所必須的兩個基本條件又都無法充分的具備，它的安全問題我們只能首先依靠概念設計。概念設計十分重視結構布局在整體上的傳力路徑的合理性、可控性和可解性，因此是反過來要求結構布局盡量接近計算模型，以便使模型符合計算假定，只有這樣，計算結果才有可信度，而且它從宏觀上考慮使結構盡量減少地震響應，把各種結構、部件與區域按重要程度確定安全度，以確保關鍵部位的安全。這就要求工藝設計與結構抗震設計互動，而不是一切工藝布局全部確定了以后，再來進行結構設計，而是在工藝布局的初始階段結構抗震設計就要參與，要把結構的抗震合理性，也作為工藝合理的一個必要條件。這樣最終確定的方案就可能做到計算結果可信度最高，受地震影響最小，既安全可靠又經濟合理。

現在抗震概念設計問題越來越被國內外的業內專家重視[7-10]，而且其理念早已被編入我國建筑抗震規范[11]。這里，我們僅根據以往對一般工業與民用建筑結構的抗震概念設計經驗[12-14]，提出以下若干建議供有關專業人員參考。

2 多道設防，強化連接

2.1 宜將新建核電站的主要結構(安全殼)建成地下雙層結構

在地震時，核電站的土建結構特別是安全殼結構被震壞是極少見的。而問題存在于安全殼中的核反應堆組件，包括連接核燃料棒、控制棒的構件與設備。安全殼產生的地震響應會激勵它們，甚至還會產生放大效應，而造成它們移位和破壞，進一步影響核反應堆的有控運作，因而產生過熱，而從內部破壞安全殼。蘇聯的切爾諾貝利核電站事故的核污染擴大，就是因為反應堆主結構的底部被失控的過熱的反應堆所破壞，進一步造成周圍土體核污染，而這種后續處理是十分困難的。所以要保證核電站的地震安全，不單單是指安全殼等土建結構的安全，更主要的是安全殼中的核反應堆組件的安全，相比之下它比前者更難。為此提出兩方面的建議:①對安全殼進行多道設防;②減少安全殼的地震響應，從根本上減少核反應堆的地震響應。首先建議把新建的核電站的主要設施(安全殼)安置在地下建筑中，并且做成地下雙層結構，即將地下承受土和水壓力的地下襯砌結構，與核電站主結構(安全殼)分離。這樣做有很多好處:其一，既增加了一道保險又便于檢查，特別對基底情況的檢查，一旦產生事故比較容易加固或者對底部封堆處理，避免產生像切爾諾貝利核電站底部封堆時所付出的高額代價;其二，地面建筑對地震作用都有放大效應，而地下建筑的地震響應較小，可減少所有結構、設備、組件的地震作用;其三，平時不容易受雷擊、風暴等災害影響，一旦發生戰爭或恐怖事件，不易成為攻擊目標;其四，利用地下空間，可節省地價;其五，便于采取減震和結構控制措施，例如可在底部設置隔振墊，在四周與上部設置阻尼器，甚至可在頂部設置被動控制裝置，以減少地震響應，如圖1所示。

圖1 地下雙層核安全殼結構示意圖Fig.1 Underground double-deck nuclear containment structure diagram

是否會增加造價?這就要具體情況具體分析，如果僅僅把安全殼部分結構放入地下，那么投資的增加是很有限的。現在建設費用的大部分都是花在地價上，而工期又大多消耗在征地階段。對核電站而言，一般工藝設備造價比土建費用大得多，而且安全投資是一勞永逸的，大一點也應該容許。根據我國目前的地下建筑施工設計能力，在一般土層中要設計建造一個幾萬平方米規模、十多米深度的地下室，在技術上已經不是一件難事。如果建在巖層中，對單跨30 m左右的地下工程，也有不少建成的先例。因此，這不但是必要的也是可能的。

2.2 宜把核電站建筑、工藝構筑物等靜定結構改為超靜定結構

建議盡量不要把核電站建筑、工藝構筑物、反應堆內控制棒、燃料棒組件等的結構做成靜定結構，如懸臂梁結構、簡支梁結構、鉸接桁架結構等。原因如下:①這類結構只有一道設防，一旦其中一個連接，或者一個構件截面破壞就會產生整體結構破壞;②這類結構地震耗能很少，因此不會由于它們的破壞而減少其他結構的地震作用;③以往反應堆內的控制棒、燃料棒組件，為了更換方便常常采用懸臂連接方案，一旦大地震時它們很容易發生大位移與局部破壞。這將會對整個核電站產生安全危機。建議有關結構應該做成超靜定，有關組件應該做成多點連接，有關工藝與設備組件應該進行抗震設計，方案應該進行抗震審查。

3 明確簡圖，合理布局

結構計算簡圖必須符合實際情況，這是正確合理的設計的前提，否則再精確的計算也毫無意義。但是對核電站的結構、設備和管道體系是十分復雜的，很難用一個明確的簡圖表示，而且有時也很難區分所謂主結構與子結構，這時為了得到明確合理的簡圖，必須對結構、設備和管道體系的布局進行整體調整，或者進行合理分割。使它們能夠抽象為明確合理的計算簡圖，這與常規靜態設計是很不同的。以下將對此提出若干具體建議供參考。

3.1 分割結構體系

核電站設計計算中，主結構與子結構的解耦是困難的。如果應用概念設計方法，不妨從另一個角度出發來考慮這個問題。就是不從模型的細化簡化上做文章，而從主結構與子結構的分割上著眼。正如在建筑設計中設置抗震縫一樣，如果不能徹底分開就弱化它們之間的連接，把有關連接節點做成柔性連接，或者在連接節點處設置阻尼器，把它們間的影響縮小到計算可以忽略的范圍。

3.2 強化主結構，弱化次結構

有時因為工藝的必須，無法將有關結構明確簡單分割。這會使主結構與子結構區分變得十分困難，從而造成計算困難。這時，可以采取另一種相反的途徑，就是強化某一個主結構，弱化另一個結構，有意拉大它們之間質量比與基頻比，使假定的計算簡圖趨向合理簡化。這樣能夠較清楚的分清主結構與次結構，使計算結果具有較好的可信度。

3.3 弱化連接，避免耦聯

工藝設計中難免要遇到，一個大的實體結構與一些管道相連，由于它們之間剛度相差很大，因此在地震時，很容易使管道產生鞭梢效應，特別是在它們的連接處因為應力集中，所以很容易產生破壞。在常規土建工程中常常采用弱化連接節點剛度的辦法，如采用可伸縮的折疊式柔性管道接頭;或者采用互相垂直的串聯U形管道接頭(圖2)，使受剪控制變為受彎控制，而且彎曲剛度大大減少使動應力峰值相應減少;還有在支座處管道上設置阻尼器，以減少管道響應，類似于在斜拉橋結構中的拉索下部錨固端設置的阻尼器。

圖2 柔性管道接頭Fig.2 Soft pipe joint

3.4 調整設備布局，減少地震響應

這個建議對設備的抗震也許更會有參考價值。調整設備布局，是將核電站的主要設備，盡可能放在同一塊，或者幾塊混凝土厚板上。這樣做有很多好處:首先，可以采用改變基板質量大小與分布，來隨意改變整個系統的質量大小和分布，由此來調節整個系統的振動模態，減少響應;其次，可以人為調節系統的形心與重心，減少扭轉響應，簡化計算模型，使計算結果更具可信度;第三，可使所有設備在地震時同步振動，減少相對位移，不易使連接管道產生過大的相對位移而破壞;第四，便于考慮整個系統的結構控制問題，設置隔振墊和阻尼器，以減少總體地震響應。如果所有設備都集中到一塊板有困難，可以一組設備，甚至一個大型設備設置一個重型底板，但是所有管道與它應該采用柔性連接。這種做法在常規建筑和設備基礎設計中是較多采用的。

4 應用結構控制技術

對未來的地震我們雖然還無法準確預測和量化計算，但是如何減少地震作用的影響是可以人為控制的，這就是采用結構控制技術。當前對地震的主動控制技術還處于研究試驗階段，但是地震的被動控制技術的應用已經比較成熟，比如隔振技術、阻尼減震技術和質量調諧減震技術(TMD)等。具體應用可在地下襯砌與安全殼間設置隔振墊，在兩層側壁間設置阻尼器，在管道的連接點設置阻尼器，在主要設備基礎墊板下設置隔振墊，或者在安全殼上設置被動控制質量塊(采用TMD技術)等(圖1(b))。這些技術都是可供選擇的。從當前我國核電站抗震基本理論、應用設計與設計規范還有待完善的情況看，采用直接減少地震響應的控制技術，無疑是一個很好的選擇。其實早在20世紀80年代，法國及南非已經將隔振墊技術應用于核電站建設中，當時采用的是摩擦板串聯疊層橡膠隔震墊[13]，該文獻指出摩擦滑移隔振系統有一個問題，就是在簡諧激勵下會產生次諧波，導致有時會產生比不隔振的響應還大，而且隔振對豎向振動激勵無能為力。但是現在工程中常用的疊層橡膠隔振墊，并不串聯摩擦滑移層，它具有可以由設計確定的剛度與阻尼，因此不會產生次諧波問題，而且豎向振動問題可以采用阻尼器解決。在這樣的前提下，我國建筑隔振技術發展較快，疊層橡膠隔振墊壽命一般可到50年左右，技術上是成熟的，隔振墊在使用階段還可以置換。采用隔振墊后地震響應峰值可以減少一半左右。由試驗數據可知，改性瀝青阻尼隔振墊具有特大的阻尼比，因為它破壞是由剪切強度慢慢喪失，而變成一個滑移層的漸變過程，所以對防大震的效果更好[14]。采用現代的隔振技術，理論上可以減少一半左右的水平地震響應，但是對震源附近的豎向振動的效果不好，這就需要在側壁采用阻尼器來減少豎向地震響應。這樣對核電站設施來說，大地震對它的影響將能夠減少到可以容許的水平。這種技術在土建結構中應用已經比較成熟，建議核電站設計時可以作為一種安全儲備。對已經建成的核電站結構與設施的抗震加固，建議也可采用施加阻尼器方法，當然還可以考慮采用其他結構控制的辦法。

5 應用振動損傷判別檢測技術

在《核電廠抗震設計規范》(GB 50267—97)[1]第10章中規定，為了檢測地震峰值加速度和地震報警，在不同部位布置若干三向加速度計是完全必要的。但是這只能起到檢測地震峰值加速度和地震報警作用，不能對結構、設備與部件的應力水平、變形位移和地震損傷情況進行判斷。因此建議對核電站的結構、設備、管道、內部組件上設置各種傳感器，平時可監控它們的運行狀態以明確它們是否在正常工作。地震時也可測試各種響應，并且可以從其振動模態的變化，推測它們的破壞程度。這種檢測技術的投入實際上比僅僅設置加速度計不會增加多少，但是其作用卻大不相同了。這種測試可以遙控進行，因此，十分適合對核電站進行損傷檢測與判別，相關技術在橋梁、電視塔等結構中已經大量應用[15]。

6 結語

人類的任何工業發展活動對環境都會有影響，不過有的方面我們暫時還沒有感到，或者還沒有積累到不可容許的地步。核電站相對火電站來說還是一種更清潔的能源，只要保證了它的安全性、可靠性，那么它不但比火電站運行成本低得多(其燃料運輸量只有火電站的數千分之一)，而且泄露的放射性物質也不會高于火電站(因為在不少燃煤中也存在放射性物質)，當然設計都應保證在容許范圍之內。因此關鍵是如何保證它的安全性與可靠性。從第一代到第三代反應堆，核電技術在不斷進步。現在第四代高溫氣冷石墨球床反應堆，雖然在工藝本身的安全方面已經到了比較成熟的地步，但是它在結構、工藝、設備和組件方面考慮地震作用的影響的程度尚不完全明確，還存在很多可探索之處。

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