核電站應急控制中心抗震設計方法探索

□林 海 萬松琳

核電站應急控制中心是應急指揮部在應急期間舉行會議指揮核電站應急行動的地方；運行支持中心是在應急響應期間供執行設備檢修、系統或設備損壞探查和其他執行糾正行動任務的人員以及有關人員集合與等待指派具體任務的場所。日本福島事故以前，已建的應急控制中心、運行支持中心均屬于與核安全無關的Ⅲ類物項，即核電站中與核安全無關的物項。Ⅲ類物項只需要按國家現行的有關抗震設計規范進行抗震設計。日本福島事故后，應急控制中心、運行支持中心的抗震要求需重新審視并加以合理確定。

一、應急控制中心結構特點

日本福島事故前已建的應急控制中心、運行支持中心大部分采用框架結構加外圍鋼筋混凝土屏蔽墻的結構形式。日本福島事故后設計的應急控制中心結構形式改為了鋼筋混凝土抗震墻結構，抗震能力得到了提升。應急控制中心通常為地上2～3層建筑物，其外圍混凝土墻體同時兼具輻射屏蔽作用，對于墻體的裂縫有嚴格的要求。

本文以某核電站應急控制中心為例，該中心當地抗震設防烈度為7度，為地上2層建筑，長56.4m，寬17.7m，首層結構層高為6.5m，二層層高為4.2m，采用條形基礎，基礎持力層為強風化黑云母花崗巖，墻體全部為鋼筋混凝土墻體，外圍起屏蔽作用的墻體根據工藝需求設置為厚度300mm，其余墻體厚度為200～160mm。

二、地震輸入

根據建筑物的重要性程度合理地選擇地震輸入，應急控制中心不同于普通工業民用建筑，應急控制中心的結構首先要實現的功能是在核應急狀態下保證可居留性，對應的最不利地震工況為SL-2，即在該工況下保證結構構件不能出現破壞，起屏蔽作用的墻體不能出現貫穿性的裂縫。

本文考慮四種地震工況：當地抗震設防烈度(7度小震)、當地地震設防烈度提高一度(8度小震)、當地地震設防烈度提高一度并考慮中震彈性設計(8度中震彈性)和核電站抗震I類(SL-2)。對于SL-2地震工況，采用RG1.60標準反應譜，地面水平加速度峰值取0.2g。

三、結構分析

(一)模型與計算軟件。本次采用ANSYS和PKPM兩種結構分析軟件分別建立三維模型，比較其結果。ANSYS中墻、板采用殼單元shell181模擬，梁、柱采用單元beam188模擬。

圖1 一層模型圖 圖2 二層模型圖

PKPM軟件是國內結構設計領域的應用最普遍的軟件之一，具有操作簡便，計算結果準確，適用性強等特點。其中SATWE模塊式專門為多、高層建筑設計而研制的空間組合結構有限元分析軟件。

(二)結構位移響應。結構的位移直接體現了結構的剛度，《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)以鋼筋混凝土構件開裂時的層間位移角作為多遇地震下結構彈性層間位移角限值。計算結構在上述四種地震工況下的位移響應，如圖3、圖4所示。圖中X向為建筑物的長度方向，Y向為建筑物的寬度方向。

圖3 結構X方向位移 圖4結構Y方向位移

從圖3、圖4可以看出：結構Y方向的位移大于X方向，整體變形表現為剪切型變形，小震情況下地震烈度從7度提高到8度，結構位移增加了1倍多，但仍然遠小于SL-2地震工況下的位移，8度中震彈性工況下的結構位移大于ANSYS的SL-2地震工況結果，略低于PKPM的SL-2地震工況結果。各工況下結構的層間位移角均遠小于規范彈性位移角限值1/1,000。

上述位移計算結果表明，應急控制中心抗側移剛度很大，結構變形驗算能滿足規范彈性位移角限值要求，在四種地震工況下，結構墻體整體仍處于彈性階段，不會出現倒塌破壞。

(三)結構配筋分析。對上述四種地震工況分別進行計算配筋，計算結果顯示，各工況下墻體豎向筋配筋率沒有明顯變化，無論豎向筋還是水平筋配筋率都接近最小配筋率。地震力的增大并沒有顯著增大墻體配筋，說明墻體截面富裕度很大，結構剛度很大。在本文的應急控制中心結構布置方案下，抗震設防標準從7度提高到8度中震彈性或SL-2，對于混凝土構件配筋量的影響很小，對于工程經濟造價影響較小。

(四)結構裂縫計算結果。應急控制中心必須保證SL-2地震工況下的可居留性，按照SL-2地震輸入對應急控制中心進行配筋設計，同時根據實際配筋進行構件的裂縫驗算，驗算結果表明，各結構構件的裂縫都控制在0.15mm以下。其中起屏蔽作用的厚度300墻體和屋面板最大裂縫均小于0.1mm。

四、結語

通過上述的計算分析，可以得出如下幾點結論：第一，本文中急控制中心布置方案，結構整體擁有非常大的抗側移剛度。通過合理配筋，主要結構構件能夠在8度中震和SL-2地震工況下保持在彈性階段，并且還擁有較大的抗震富裕度。第二，SL-2地震工況下，應急控制中心的外圍屏蔽墻體和樓板裂縫均不大于0.1mm，不會出現貫通破壞性裂縫，可以保證可居留性。厚度300mm屏蔽墻體的設置不僅從工藝角度滿足防輻射要求，而且從結構裂縫控制的角度也能為可居留性提供保證。第三，對于本文中應急控制中心的結構布置方案，抗震設防標準從7度提高到8度中震彈性或SL-2，對于混凝土構件配筋量的影響很小，對于工程經濟造價影響較小。第四，計算分析表明，可以通過結構專業普遍使用的PKPM軟件有效實現中震彈性設計以及非國標反應譜的輸入與調整，給不同設防標準下結構的抗震分析提供了更為簡便直接的方法。由于PKPM是專門面向土木結構設計的軟件，其數據后處理較ANSYS這類通用有限元軟件便利許多，可以大大縮短設計周期，考慮此便利性，可以在PKPM中對應急控制中心按當地抗震設防烈度提高一度進行中震彈性設計，并采用SL-2工況結果進行校核。