新型核電站常規(guī)島結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展分析

尹春明，錢 萍

(廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663)

1 概述

近期，電力“十二五”規(guī)劃編制的工作已啟動，而核電中長期調(diào)整方案制訂也已進(jìn)入尾聲。對2007年國務(wù)院批準(zhǔn)的《核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2005—2020年)》，初步調(diào)整方案是到2020年，我國的核電裝機(jī)規(guī)模將增長到7500萬千瓦，約占全國發(fā)電總裝機(jī)容量的5%，發(fā)電量達(dá)到8%。這標(biāo)志著我國核電發(fā)展進(jìn)入了新的階段。根據(jù)核電發(fā)展目標(biāo)，2005年以來，在國家的大力支持下，廣東、浙江、遼寧、福建、山東等沿海地區(qū)正在建設(shè)一批新的核電站，中國成為新世紀(jì)第一個把宏偉核電規(guī)劃變?yōu)閷嶋H行動的國家。目前嶺澳二期、紅沿河、寧德、陽江、方家山及福清共計20臺機(jī)組正在建設(shè)之中， 2009年將有山東海陽、高橋島、三門和臺山核電站如期開工。核電發(fā)展的春天真正來臨了！

本文選取四個核電站，就“二代半”與“二代”、“三代”和“二代半”核電站常規(guī)島土建技術(shù)進(jìn)行比較，分析常規(guī)島結(jié)構(gòu)設(shè)計因核電技術(shù)的發(fā)展而相應(yīng)的變化發(fā)展，見表1。

表1 不同堆型比較

2 在建核電站常規(guī)島廠房結(jié)構(gòu)介紹

2.1 二代半型核電站

嶺澳二期CPR1000是二代半核電站的代表堆型，其常規(guī)島結(jié)構(gòu)方案特點：

2.1.1 大平臺布置

CPR1000常規(guī)島汽機(jī)房的跨距為44m，縱向長度為100m，有效利用高度約為38m。長度方向共設(shè)12排柱，柱距采用8m和12m兩種。汽機(jī)房主要分為三層：底層(0.20m)、中間層(6.20m)和運轉(zhuǎn)層(16.20m)，局部有11.40m層，中間層及運轉(zhuǎn)層都采用大平臺。

常規(guī)島輔助間跨度l5m，縱向長度與汽機(jī)房長度相同為100m，有效利用高度約為41m。輔助間主要分四層，即底層(0.20m)、電纜夾層(16.20m)，開關(guān)柜層(20.20m)，除氧層(28.20m)，局部有8.20m層。

主廠房采用鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)型式，汽機(jī)房平臺框架采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼框架梁支承在汽機(jī)基礎(chǔ)立柱的牛腿上，采用滑動支座，鋼框架梁與廠房主體混凝土結(jié)構(gòu)采用鉸接連接。

2.1.2 防甩擊結(jié)構(gòu)

與核島電氣樓相鄰的山墻，屬于重要的構(gòu)筑物，山墻上不僅承擔(dān)各種連接核島與常規(guī)島管道的荷重，還設(shè)置了主蒸氣管防甩擊的結(jié)構(gòu)。在山墻柱平面外采取結(jié)構(gòu)措施，形成足夠的抗側(cè)力體系，以抵御風(fēng)荷載，地震作用和管道甩擊力。

2.1.3 汽輪發(fā)電機(jī)彈性基礎(chǔ)

CPR1000核電廠半速汽輪發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)采用彈簧隔振的彈性基礎(chǔ)，彈性基礎(chǔ)具有抗振動、抗地震、快速對中調(diào)平的優(yōu)點。汽機(jī)基礎(chǔ)立柱與頂臺板之間的連接不采用剛性連接，取而代之的是彈簧隔振器。

圖1 CPR1000常規(guī)島汽機(jī)彈性基礎(chǔ)與防甩結(jié)構(gòu)

2.2 三代核電站

2.2.1 AP1000結(jié)構(gòu)方案特點

海陽AP1000常規(guī)島主廠房從結(jié)構(gòu)角度來說，大體上與CPR1000相似，采用鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)型式，設(shè)置輔助跨。汽機(jī)房的跨距為42m，縱向長度為120.5m，有效利用高度約為38m。長度方向共設(shè)12排柱，柱距從9m到13m不等。輔助間跨度l3m，縱向長度與汽機(jī)房長度相同為120.5m，有效利用高度約為35m。此外還有以下技術(shù)特點：

⑴ 布置連接廠房

按西屋的要求，與核島緊鄰處布置一跨結(jié)構(gòu)，分別與和核島附屬廠房和脫開，在緊鄰常規(guī)島主廠房側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土墻。

⑵ 布置連接廠房

按西屋的要求，與核島緊鄰處布置一跨結(jié)構(gòu)，分別與和核島附屬廠房和脫開，在緊鄰常規(guī)島主廠房側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土墻。

⑶ 核島對常規(guī)島廠房結(jié)構(gòu)有特殊要求

常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)計算時充分考慮核島對常規(guī)島廠房結(jié)構(gòu)的要求，例如抗震抗倒塌、龍卷風(fēng)以及防甩擊的要求。

⑷ 汽輪發(fā)電機(jī)剛性基礎(chǔ)

目前AP1000核電汽輪發(fā)電機(jī)采用日本三菱的半速機(jī)組，基礎(chǔ)采用框架式剛性基礎(chǔ)，基礎(chǔ)整體從底板到上部結(jié)構(gòu)均與廠房主體結(jié)構(gòu)設(shè)縫脫開。

2.2.2 EPR結(jié)構(gòu)方案特點

EPR常規(guī)島廠房采用全鋼結(jié)構(gòu)，按半地下室布置，不設(shè)置輔助跨，運轉(zhuǎn)層以上為單跨鋼結(jié)構(gòu)， 汽機(jī)房縱向長度109.85m，共10排柱，最大柱距14.5m，其它柱距基本在12m左右；橫向僅一跨，跨度57.2m。廠房帶兩層地下室，標(biāo)高分別為-13.7m和-7.5m，兩層地下室局部還有一些夾層作為設(shè)備平臺。地下?lián)跬翂殇摻罨炷翂w，墻身與廠房鋼結(jié)構(gòu)不相連，懸臂結(jié)構(gòu)高度達(dá)14m，擋土墻底部與筏基相連。

MSR設(shè)備為立式布置，設(shè)備立柱直接落在筏板面。1750MW半速汽輪發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)采用彈簧隔振的彈性基礎(chǔ)。

圖2 EPR常規(guī)島廠房三維圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

3.1 汽輪發(fā)電機(jī)彈性基礎(chǔ)

由于核電機(jī)組只能使用飽和蒸汽，汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度和進(jìn)汽壓力都比較低，每公斤蒸汽的做功能力比較小，因此與使用超臨界以及超、超臨界蒸汽的機(jī)組相比較，在發(fā)同樣功率的條件下，蒸汽流量大很多。為了擴(kuò)大汽輪機(jī)的通流能力，必須擴(kuò)大汽輪機(jī)末級葉片的通流面積，因此必須增加末級葉片的高度。葉片高度增加后，又因葉片材料強(qiáng)度而受到葉頂線速度的限制，于是必須降低轉(zhuǎn)速。而降速又受到發(fā)電機(jī)電樞極數(shù)的限制，全速(50或60Hz)以下最接近的轉(zhuǎn)速是半速(25或30Hz)，于是選擇半速，這是為什么很多核電機(jī)組使用半速的原因。目前我國新型的二代半和三代核電站全部采用半速汽輪發(fā)電機(jī)。

世界上對動力機(jī)器基礎(chǔ)的設(shè)計有兩種理念：

一種是美國、日本的理念，用大質(zhì)量來抑制振動。一般情況下，如果機(jī)器加基礎(chǔ)的總質(zhì)量與機(jī)器轉(zhuǎn)子質(zhì)量的比值大于100，則可以不考慮振動問題。基于這樣的理念，美國、日本機(jī)組的基礎(chǔ)都設(shè)計得非常大，立柱的尺寸經(jīng)常做到3m、甚至4m，這么大的尺寸使設(shè)備布置的較為困難。

另一種是歐洲的理念，用調(diào)頻的方法來隔振與減振。例如使用彈簧隔振的彈性基礎(chǔ)，可以使系統(tǒng)(機(jī)器與基礎(chǔ)臺板)的固有頻率由20～25Hz減小到3～3.5Hz，從而使系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)離了機(jī)器的工作頻率，避免了共振的發(fā)生。彈性基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)見圖1。它與常規(guī)固定基礎(chǔ)的最主要的差別在于將立柱與頂臺板之間的剛性連接拆開了，取代剛性連接的是彈簧隔振器。彈性基礎(chǔ)的系統(tǒng)固有頻率(3～3.5Hz)遠(yuǎn)小于半速機(jī)組的工作頻率(25或30Hz)，不僅滿足了足夠的避開裕量的要求，而且實踐證明了很好的隔振效果。

表2 核電全速和半速汽輪發(fā)電機(jī)對比

圖3 嶺澳一期全速汽輪發(fā)電機(jī)

圖4 嶺澳二期半速汽輪發(fā)電機(jī)安裝現(xiàn)場

以上是嶺澳一期和二期，全速機(jī)和半速機(jī)組在設(shè)備部件外型與荷重上的對比。嶺澳二期汽機(jī)間跨度和一期一樣，而表2可以看出半速機(jī)組外型與荷重比全速機(jī)大得多。同樣的廠房，布置下更龐大的機(jī)組，這都是汽輪發(fā)電機(jī)彈性基礎(chǔ)節(jié)約空間所起的重要作用。

目前國內(nèi)正在設(shè)計的兩個AP1000項目都是采用日本三菱與哈爾濱動力集團(tuán)聯(lián)合生產(chǎn)的1250MW機(jī)組。汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)采用剛性基礎(chǔ)。

表3 以下是嶺澳二期汽機(jī)彈性基礎(chǔ)與海陽核電剛性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對比

從表3可以看出，兩核電站運轉(zhuǎn)層標(biāo)高相當(dāng)，但海陽三菱機(jī)型筏板面標(biāo)高低7m，即立柱長7m，這是由于龐大的凝汽器平面空間受到汽機(jī)基礎(chǔ)剛性基礎(chǔ)的限制，只能往高度方面拓展，整個汽機(jī)廠房由于凝汽器的設(shè)計布置，大大增加了地下結(jié)構(gòu)的工程費用。

對于同一個地區(qū)，由于百萬級半速核電機(jī)組凝汽器的循環(huán)冷卻水量兩倍于百萬級全速火電機(jī)組，相比之下凝汽器容積要大得多，因而采用彈性基礎(chǔ)不僅有良好的低頻基礎(chǔ)的動力性能，還可以給廠房布置預(yù)留更多的空間。

3.2 常規(guī)島抗震性能分析

核電廠結(jié)構(gòu)作為一種特種結(jié)構(gòu)，其安全問題直接影響著周圍的環(huán)境，三里島核電站事故、切爾貝利核電站事故及日本JCO核電站事故等說明了核能工業(yè)所面臨的風(fēng)險。因此，對抗震設(shè)計的要求很高，要確保遇到極限安全地震震動下不會對電站工作人員和附近造成放射性災(zāi)害?？拐鸺纫_保電站設(shè)備、管道的安全，防止其因破壞導(dǎo)致的放射性物質(zhì)擴(kuò)散，又要保證放射性物質(zhì)擴(kuò)散防止措施的正常功能及其緊急防止措施的運轉(zhuǎn)功能。以上是核島等抗震Ⅰ類物項自身所必須具有的抗震性能要求，抗震Ⅰ類物項的抗震標(biāo)準(zhǔn)是在極限安全地震震動(SL-2/SSE)下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性設(shè)計。

常規(guī)島結(jié)構(gòu)鄰近核島，因而常規(guī)島的抗震性能要考慮對核島的影響。原理上對于可能危及抗震Ⅰ類物項功能的非安全級構(gòu)筑物，可選擇下列設(shè)計措施：

⑴ 非安全級構(gòu)筑物在總圖布置上考慮了其倒塌影響范圍在Ⅰ類物項以外；

⑵ 被危及的抗震Ⅰ類物項被保護(hù)，鄰近的非安全級構(gòu)筑物倒塌不影響Ⅰ類物項；

⑶ 證明非安全級構(gòu)筑物在極限安全地震震動下不倒塌。

以上三條是從設(shè)計原理上分析，但由于核電站總圖布置和核島的設(shè)計，第⑴、⑵項在核電設(shè)計領(lǐng)域都沒有采用，目前建設(shè)的核電站核島輔助廠房外墻與常規(guī)島外墻的距離都在10m范圍之內(nèi)，核島結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有考慮常規(guī)島倒塌沖擊而增加保護(hù)措施。所以以上措施唯一可以執(zhí)行的是第⑶項，即對常規(guī)島要進(jìn)行防倒塌校核驗算。

對與常規(guī)島的抗震標(biāo)準(zhǔn)，在《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008第5.2.4條規(guī)定核電站常規(guī)島劃為重點設(shè)防類，即乙類建筑。筆者總結(jié)了多個國內(nèi)外核電站常規(guī)島的抗震設(shè)計(見表4)，認(rèn)為彈性階段的設(shè)計可以采用國標(biāo)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2001的規(guī)定進(jìn)行，但由于核電站的特殊性，常規(guī)島的倒塌對核島的安全是有影響的，因而彈塑性階段地震作用的輸入應(yīng)與極限安全地震震動(SL-2、SSE)相匹配，《核電站抗震設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：極限安全地震震動是在設(shè)計基準(zhǔn)期中年超越概率為0.1‰的地震震動，其峰值加速度不小于0.15，通常為核電廠區(qū)可能遭遇的最大地震震動。

表4 國內(nèi)外核電站常規(guī)島抗震設(shè)計要求

3.3 樓層反應(yīng)譜在常規(guī)島的應(yīng)用

核電樓層反應(yīng)譜是建筑物樓層上相關(guān)設(shè)備震動輸入的重要依據(jù)，在核電站動力分析中是一個重要的部分。有關(guān)技術(shù)以往一直應(yīng)用于核電站核安全物項(核島和核級泵房等)的抗震分析，從事核安全物項土建設(shè)計方根據(jù)整體結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)果，提取考察點在地震作用及其它動力荷載作用下的樓層響應(yīng)譜，以接口形式提供給設(shè)備制造方，用于重要設(shè)備、敏感儀表的連接、安裝設(shè)計，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件連接的安全性。

核島和泵房等核安全物項樓層反應(yīng)譜的計算，通常將其結(jié)構(gòu)簡化為質(zhì)點-彈簧-梁模型，利用SUPER SAP、CLASSI軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析研究，這種方法目前使用較為普遍，而三維空間復(fù)雜實體簡化為質(zhì)點-彈簧-梁模型的計算誤差有待進(jìn)一步研究。

從嶺澳二期開始，常規(guī)島土建設(shè)計方需要向進(jìn)口設(shè)備供貨商提供常規(guī)島內(nèi)部分區(qū)域的樓層反應(yīng)譜，以便其進(jìn)行重要管道和設(shè)備與廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接設(shè)計。

圖5 某二代半型核電站常規(guī)島樓層反應(yīng)譜

目前常規(guī)島結(jié)構(gòu)設(shè)計通常采用的是三維空間桿系模型，根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行樓層反應(yīng)譜的編制，但如何按照結(jié)構(gòu)和地基的材料性質(zhì)、阻尼比值、地基與結(jié)構(gòu)相互作用等技術(shù)參數(shù)不確定性以及地震計算方法的近似性而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)頻率不確定性，對計算確定的樓層反應(yīng)譜予以修正是業(yè)內(nèi)需要進(jìn)一步探討的問題。

3.4 三代核電站對結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的新要求

根據(jù)核電站實際的運行情況和實際需要，目前國際上很多核電機(jī)組都延長了服務(wù)的年限。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，制造水平和施工水平不斷提高，核電站的設(shè)計壽命也不斷加長，國內(nèi)的大亞灣核電站等設(shè)計壽命為40年，臺山核電站EPR機(jī)組及國內(nèi)引進(jìn)的AP1000機(jī)組的設(shè)計壽命為60年，表明了核電站業(yè)主對設(shè)計、制造和施工建設(shè)提出了更高的要求。

由于三代核電設(shè)計使用壽命的延長，相應(yīng)的廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計也必須采取必要的技術(shù)措施，以獲得與三代核電設(shè)計使用壽命相匹配的設(shè)計使用期。我國的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的混凝土耐久性相關(guān)技術(shù)要求是針對結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年提出的，設(shè)計使用年限延長以后，如何使廠區(qū)混凝土滿足耐久性的要求，如何在設(shè)計和施工上采取相應(yīng)的措施，三代核電站對混凝土結(jié)構(gòu)新的要求?！痘炷两Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》GB/T50476-2008在2009年5月1日開始施行，該規(guī)范對三代核電混凝土設(shè)計有一定指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

在中國核電全面進(jìn)入“二代半”同時大力引進(jìn)“三代”核電的時代，隨著核電技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)島結(jié)構(gòu)設(shè)計對新技術(shù)的要求也不斷提高，設(shè)計人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

⑴ 半速汽機(jī)發(fā)電機(jī)是現(xiàn)在和將來核電站的主導(dǎo)機(jī)型，對于歐洲百萬級半速機(jī)組，彈簧隔振的彈性基礎(chǔ)是最佳的結(jié)構(gòu)型式。采用STARDYNE和SAP2000國際通用的成熟軟件可以完成隔振基礎(chǔ)的設(shè)計和校核；對于美國、日本機(jī)型，這種類似機(jī)型完全可以采用彈性基礎(chǔ)，但因為主機(jī)廠的原因，仍然采用剛性基礎(chǔ)的型式居多，針對剛性基礎(chǔ)可以采用MFSAP和SAP2000成熟的專業(yè)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并配合物模試驗使技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更優(yōu)。

⑵ 抗震性能分析是常規(guī)島結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，由于2008年8月前國內(nèi)沒有規(guī)范明確常規(guī)島的抗震設(shè)計水準(zhǔn)，各核電站抗震設(shè)計方法不一。有的核島設(shè)計方對常規(guī)島提了明確要求，有的是建設(shè)方提出的要求，有的參考《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》，有的按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》。《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008施行后，對于常規(guī)島結(jié)構(gòu)彈性階段的設(shè)計有了明確的規(guī)定，考慮到核電站的特殊性，在彈塑性階段地震作用應(yīng)與極限安全地震震動(SL-2/SSE)相匹配。

⑶ 核電樓層反應(yīng)譜是核電站重要技術(shù)性廠房相關(guān)設(shè)備震動輸入的重要依據(jù)，在核電站動力分析中是一個重要的部分。目前三代核電基本采用半地下室布置，主廠房基礎(chǔ)采用筏基，結(jié)構(gòu)計算模型宜計入地基與結(jié)構(gòu)的相互作用，特別對于地基土平均剪切波速不大于1100m/s的地基。

⑷ 百萬千瓦以上大容量核電站常規(guī)島樓面活荷載的取值、三代核電站混凝土耐久性設(shè)計、EPR項目超大跨度鋼結(jié)構(gòu)和大型地下懸壁式擋土墻設(shè)計等都是新型核電站結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的技術(shù)問題。

綜合上述，在新型核電站常規(guī)島設(shè)計技術(shù)方面，國際上已取得了長足的進(jìn)步，國內(nèi)電力行業(yè)的土建結(jié)構(gòu)工程師在未來幾年將面臨艱巨的設(shè)計任務(wù)和新技術(shù)的挑戰(zhàn)，我們應(yīng)大膽引進(jìn)和消化吸收，進(jìn)一步提升技術(shù)創(chuàng)新的能力。

[1]GB50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB50223-2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB/T50476-2008，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB50267-97，核電廠抗震設(shè)計規(guī)范[S].