汽機(jī)廠房第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

陶靜

【摘?要】汽機(jī)廠房第一跨緊鄰核島輔助、附屬廠房，內(nèi)部設(shè)有電站縱深防御系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響到核島安全級(jí)構(gòu)筑物的安全及縱深防御系統(tǒng)的可用性。本文介紹了汽機(jī)房第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)主蒸汽和主給水管道破管荷載的考慮，以及結(jié)構(gòu)抗震、抗龍卷風(fēng)的穩(wěn)定性和變形復(fù)核驗(yàn)算過程及結(jié)論，對(duì)后續(xù)國內(nèi)AP1000機(jī)組汽機(jī)廠房第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了建議。

【關(guān)鍵詞】汽機(jī)廠房第一跨;破管;抗震;抗龍卷風(fēng)

1.概述

AP1000核電機(jī)組的電站總平面及設(shè)備綜合布置有其特殊性，緊鄰核島的汽機(jī)廠房第一跨布置有電站縱深防御系統(tǒng)。第一跨結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響到核島安全級(jí)構(gòu)筑物的安全性及縱深防御系統(tǒng)的可用性。

本文介紹三門核電項(xiàng)目1、2號(hào)機(jī)組汽機(jī)廠房第一跨布置方案、結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析方法、主管道破管對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響、結(jié)構(gòu)抗震與抗龍卷風(fēng)荷載驗(yàn)算情況，從第一跨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出一些建議，供后續(xù)AP1000機(jī)組汽機(jī)廠房第一跨設(shè)計(jì)借鑒。

2.第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1第一跨結(jié)構(gòu)選型及其原因分析

與第一跨結(jié)構(gòu)緊鄰的核島輔助廠房為抗震I類結(jié)構(gòu)，其內(nèi)布置有安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備，地震或其他外部事件不得對(duì)核島輔助廠房的安全功能和結(jié)構(gòu)完整性構(gòu)成威脅以致影響到電站的安全。

根據(jù)上述要求，第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型需考慮以下因素：

a）第一跨結(jié)構(gòu)需保證在極限外部荷載作用的下，第一跨結(jié)構(gòu)不倒且其結(jié)構(gòu)彈塑性變形與核島彈塑性變形之和不得超過第一跨墻體與11號(hào)墻間的間距（300mm）。

b）第一跨結(jié)構(gòu)需保證主蒸汽和主給水管道斷裂甩擊及噴射流對(duì)11號(hào)墻不產(chǎn)生影響。

據(jù)此，在施工設(shè)計(jì)階段通過分析和評(píng)估將第一跨結(jié)構(gòu)確定為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，底板與汽輪機(jī)廠房底板相連，上部結(jié)構(gòu)與汽輪機(jī)廠房主體結(jié)構(gòu)脫開（地下部分分開100mm，地上部分分開250mm）。

2.2第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

如圖3.1所示，第一跨采用全鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，縱向自T.0至1/T.0軸，柱距6.782m，橫向自T.A軸至T.F軸同汽機(jī)廠房，長為39.8m。共計(jì)5層，地下一層，地上四層，樓面標(biāo)高分別為-7.500m，0.000m，5.339m，10.749m，16.244m，屋面標(biāo)高22.970m。汽機(jī)廠房第一跨基礎(chǔ)型式采用筏板基礎(chǔ)，與汽機(jī)房基礎(chǔ)底板連成一體，以增強(qiáng)基礎(chǔ)的抗傾覆、抗滑移能力。

2.3第一跨結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

根據(jù)第一跨結(jié)構(gòu)形式和布置特點(diǎn)，選用SATWE計(jì)算軟件進(jìn)行第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用空間桿單元模擬梁、柱桿件，用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。對(duì)第一跨進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，施加的恒載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重，填充墻體自重，施加的樓、屋面活載包括設(shè)備荷載，管道荷載，電纜橋架荷載及檢修荷載，疊加計(jì)算風(fēng)荷載和地震作用。

2.4破管荷載對(duì)第一跨結(jié)構(gòu)影響分析

2.4.1破管荷載分析

從工程設(shè)計(jì)保守角度，第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中甩管荷載按主蒸汽和主給水管道同時(shí)發(fā)生一點(diǎn)破管作用來考慮。根據(jù)主蒸汽和主給水管道破管分析結(jié)果，主蒸汽和主給水管道破裂后的甩擊及噴射作用大部分可通過第一跨鋼筋混凝土剪力墻進(jìn)行限位，不需要在T.0、T.1軸墻體和汽機(jī)主廠房間設(shè)置其他防甩裝置，第一跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足主蒸汽和主給水管道破管荷載的要求。

根據(jù)上述主蒸汽管道破管荷載計(jì)算結(jié)果，主蒸汽管道破管是會(huì)發(fā)生甩管，需考慮增設(shè)吸能鋼梁減小管道甩擊荷載。考慮直接減小主蒸汽管道甩管的打擊動(dòng)能，將鋼梁布置在貼近管道處。吸收鋼梁的計(jì)算模型與位置如下附圖所示。

3.第一跨抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算

3.1抗震設(shè)計(jì)與驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)問題

汽機(jī)廠房第一跨與抗震II類核安全相關(guān)的輔助廠房、附屬廠房毗鄰，為保證核安全構(gòu)筑物的安全，因此必須通過計(jì)算評(píng)估汽機(jī)廠房第一跨在廠址SL-2地震震動(dòng)下的結(jié)構(gòu)變形性能，來驗(yàn)證第一跨結(jié)構(gòu)變形不會(huì)影響到核島的輔助、附屬廠房結(jié)構(gòu)。

3.2第一跨抗震驗(yàn)算分析

3.2.1驗(yàn)算分析方法

汽機(jī)廠房第一跨抗震驗(yàn)算采用有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SAP2000對(duì)汽機(jī)廠房第一跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的彈塑性變形驗(yàn)算，建立的三維空間整體計(jì)算模型見后附圖，X向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)縱向（即核島到常規(guī)島方向），Y向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)橫向，Z向?yàn)樨Q直方向。抗震規(guī)范規(guī)定建筑結(jié)構(gòu)在特定水平的地震作用下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗(yàn)算可采用靜力非線性（Pushover）分析。

3.2.2結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算結(jié)論

通過有限元分析結(jié)構(gòu)在規(guī)定地震作用下的彈塑性變形驗(yàn)算，分析結(jié)果獲得結(jié)構(gòu)最大彈塑性位移X向156mm，Y向40mm，不會(huì)影響到其周邊的核島輔助、附屬廠房結(jié)構(gòu)。整個(gè)結(jié)構(gòu)在地震作用下不會(huì)倒塌，且其變形小于300mm，結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

4.后續(xù)項(xiàng)目第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議

AP1000機(jī)組是先進(jìn)的第三代反應(yīng)堆，是今后國內(nèi)核電發(fā)展的趨勢(shì)。從三門項(xiàng)目第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，有如下建議可供后續(xù)項(xiàng)目汽機(jī)廠房第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考：

4.1基礎(chǔ)底板相連

汽機(jī)廠房第一跨底板與汽機(jī)主廠房底板連成一體，可以增強(qiáng)基礎(chǔ)的抗傾覆、抗滑移能力，增加基礎(chǔ)自重，可以抵抗管道破管產(chǎn)生的上拔力，有利于結(jié)構(gòu)安全。

4.2獨(dú)立的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

汽機(jī)廠房第一跨結(jié)構(gòu)同汽機(jī)廠房主體結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，有利于功能隔離，結(jié)構(gòu)受力體系清晰，傳力路線直接。其次抗震驗(yàn)算時(shí)，僅需驗(yàn)證第一跨本體結(jié)構(gòu)在廠址極限SL-2地震加速度下廠房的變形，有利于簡化結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型。

由于汽機(jī)廠房第一跨平面布置形式為縱向單跨結(jié)構(gòu)，縱向柱距僅為6.782m，結(jié)構(gòu)易發(fā)生縱向變形傾覆。第一跨采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其在地震和甩管荷載作用下抵抗變形能力優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)廠房。

4.3對(duì)主管道破管荷載的考慮

汽機(jī)廠房第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將主管道破管甩擊荷載考慮為偶然荷載，在甩管荷載作用區(qū)域可以設(shè)置多道縱、橫方向的剪力對(duì)破管進(jìn)行限位，同時(shí)通過設(shè)置吸能鋼梁來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗破管甩擊荷載能力。

4.4第一跨采用非抗震類構(gòu)筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

核島的設(shè)計(jì)功能要求汽輪機(jī)廠房包括第一跨在必須通過分析證明不會(huì)對(duì)核島輔助廠房產(chǎn)生破壞。AP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)已將汽機(jī)廠房第一跨由非抗震類變更為抗震II類構(gòu)筑物。

三門項(xiàng)目汽機(jī)廠房第一跨通過廠址極限安全地震（SL-2）作用下抗震復(fù)核驗(yàn)算表明其結(jié)構(gòu)是安全可靠的，不會(huì)對(duì)核島輔助廠房產(chǎn)生破壞。在后續(xù)AP1000機(jī)組設(shè)計(jì)中，汽機(jī)廠房第一跨仍可按非抗震類構(gòu)筑物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但必須采用廠址安全地震（SL-2）進(jìn)行復(fù)核。

5.總結(jié)

汽機(jī)廠房第一跨緊鄰核島輔助、附屬廠房布置，布置有核島的系統(tǒng)和設(shè)備，核島功能要求要求汽機(jī)廠房第一跨在極限工況下不會(huì)對(duì)核島產(chǎn)生不利影響。

三門項(xiàng)目汽機(jī)廠房第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通過變更結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，開展主管道破管對(duì)結(jié)構(gòu)影響，增加吸能鋼梁，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在廠址極限地震震動(dòng)（SL-2）作用和廠址極限龍卷風(fēng)作用下的變形等方式，證明第一跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以滿足核島的功能要求。對(duì)于后續(xù)項(xiàng)目汽機(jī)廠房第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了我的一些不成熟的看法和建議，供后續(xù)項(xiàng)目第一跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50267-97，國家地震局，1997

[2]核電廠的抗震設(shè)計(jì)與鑒定，HAD102/02，國家核安全局，1996

[3]汽機(jī)廠房第一跨結(jié)構(gòu)安全分析報(bào)告，華東電力設(shè)計(jì)院，SMG-2100-S2-101，REV.0，2009

[4]汽機(jī)廠房第一跨主蒸汽和主給水管道斷裂甩管和噴射計(jì)算報(bào)，上海核工程研究設(shè)計(jì)院，SM1-2100-P0C-001，REV.A，2010

（作者單位：三門核電有限公司）