核電站龍門(mén)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭俊營(yíng) 李家寶 許海濤

0 引言

國(guó)家核安全局發(fā)布的《第二代改進(jìn)型核電項(xiàng)目核安全審評(píng)原則》要求，第二代改進(jìn)型核電項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建造的標(biāo)準(zhǔn)原則上應(yīng)采用法國(guó)RCC系列標(biāo)準(zhǔn)，并適當(dāng)考慮設(shè)計(jì)自主化、設(shè)備本地化引起的標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性替代問(wèn)題。關(guān)于RCC-G的補(bǔ)充要求:對(duì)于保持原有設(shè)計(jì)的子項(xiàng)，應(yīng)以適用的新標(biāo)準(zhǔn)(如EJ/T系列)對(duì)典型廠房開(kāi)展對(duì)比核算工作。

因此，采用EJ/T 1062-1998壓水堆核電廠核安全有關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)某核電站龍門(mén)架開(kāi)展了整體分析及對(duì)比核算設(shè)計(jì)。

同時(shí)，對(duì)該核電站施工中反饋的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了分析及總結(jié)。

1 龍門(mén)架相關(guān)資料

龍門(mén)架的主要功能是將大型設(shè)備從±0.000 m地面提升到+20.000 m平臺(tái)，以便從安全殼設(shè)備閘門(mén)轉(zhuǎn)運(yùn)到反應(yīng)堆廠房。

龍門(mén)架的工作狀態(tài)分為施工階段和正常運(yùn)行階段。在反應(yīng)堆的施工階段，龍門(mén)架應(yīng)能保證3 800 kN起重機(jī)的正常使用。施工完成后，3 800 kN起重機(jī)、導(dǎo)軌、桁架梁等被拆除，只留下700 kN的輔助起重機(jī)用來(lái)進(jìn)行正常運(yùn)行階段的設(shè)備吊裝。

任何情況下，3 800 kN起重機(jī)和700 kN起重機(jī)不允許同時(shí)運(yùn)行。

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》劃分工作級(jí)別的要求，考慮起重機(jī)的使用等級(jí)和荷載狀態(tài)級(jí)別，700 kN和3 800 kN吊車(chē)屬于輕級(jí)工作制吊車(chē)。

2 場(chǎng)地相關(guān)資料

對(duì)應(yīng)零周期的場(chǎng)地基巖極限安全水平地震動(dòng)參數(shù)SL-2(SSE)取值為0.20g。豎直方向采用水平方向的2/3。

最低日平均室外計(jì)算溫度為27.1℃。

廠區(qū)地坪10 m高度的10 min年平均最大風(fēng)速48.2 m/s，3 s陣風(fēng) 77.1 m/s。

3 構(gòu)筑物分級(jí)及結(jié)構(gòu)布置

龍門(mén)架設(shè)計(jì)使用年限為45年(包括5年建造期)。其混凝土基礎(chǔ)及主鋼結(jié)構(gòu)為非安全級(jí)(NC)、非核抗震類(lèi)(NC*)、非規(guī)范級(jí)(NA)、質(zhì)保1級(jí)的鋼結(jié)構(gòu)框架。

龍門(mén)架主要由4根箱形柱和鋼(桁架)梁組成的空間框架結(jié)構(gòu)(為主鋼結(jié)構(gòu))，其結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖1，結(jié)構(gòu)豎向布置參見(jiàn)圖2。龍門(mén)架基礎(chǔ)采用混凝土聯(lián)合基礎(chǔ)，A，B兩列鋼柱分別坐落在－4.000 m及－9.000 m的中風(fēng)化基巖上。

龍門(mén)架鋼框架材質(zhì)主要采用S355-J0(與Q345C等效)。

4 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算及復(fù)核分析

采用SAP2000有限元分析軟件中的框架單元模擬龍門(mén)架。正常運(yùn)行階段考慮地震作用，采用振型分解反應(yīng)譜法，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜采用RG1.60譜。通過(guò)加載計(jì)算，得出龍門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)主體框架構(gòu)件內(nèi)力，并對(duì)內(nèi)力較大的主要承重構(gòu)件進(jìn)行手算設(shè)計(jì)復(fù)核。

4.1 荷載組合

龍門(mén)架計(jì)算分施工階段和正常運(yùn)行階段，荷載組合遵循《龍門(mén)架廠房設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》，考慮了正常運(yùn)行及極端環(huán)境作用，其中施工階段7種(含3 800 kN吊車(chē)運(yùn)行)、正常運(yùn)行階段9種荷載組合(含700 kN吊車(chē)運(yùn)行及地震作用)。

4.2 整體分析結(jié)果

施工階段部分包絡(luò)內(nèi)力圖見(jiàn)圖2。

4.3 主要承重構(gòu)件設(shè)計(jì)復(fù)核

1)施工階段驗(yàn)算桿件包絡(luò)內(nèi)力及驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 施工階段驗(yàn)算桿件內(nèi)力及驗(yàn)算結(jié)果

2)正常使用階段驗(yàn)算桿件包絡(luò)內(nèi)力及驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。

4.4 變形驗(yàn)算

變形驗(yàn)算不考慮地震及龍卷風(fēng)荷載，桿件內(nèi)力及驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 正常運(yùn)行階段驗(yàn)算桿件內(nèi)力及驗(yàn)算結(jié)果(一)

表3 正常運(yùn)行階段驗(yàn)算桿件內(nèi)力及驗(yàn)算結(jié)果(二) mm

5 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題反饋及分析

1)地基處理問(wèn)題:A列柱下的基礎(chǔ)為7 m×16 m的聯(lián)合基礎(chǔ)，板厚700 mm，底標(biāo)高－4.00 m。原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)應(yīng)位于中風(fēng)化基巖上。實(shí)際基底為粘性土，中風(fēng)化巖層約在－10.00 m?，F(xiàn)場(chǎng)向下開(kāi)挖至基巖(有坡度，開(kāi)挖深度至－17 m)，最后回填素混凝土進(jìn)行處理。根據(jù)龍門(mén)架的安全與抗震類(lèi)別分級(jí)，為非安全級(jí)(NC)和非核抗震類(lèi)(NC*，即其抗震能力要進(jìn)行驗(yàn)證，以使其在SSE情況下不對(duì)抗震Ⅰ類(lèi)廠房構(gòu)成損害)。其設(shè)計(jì)要求同常規(guī)設(shè)計(jì)基本一致。因此，可以采用靈活、經(jīng)濟(jì)的地基處理及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，如可采用聯(lián)合樁基設(shè)計(jì)等。

2)鋼材國(guó)產(chǎn)化:龍門(mén)架系核島廠房中最主要的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)沿用了參考電站的法標(biāo)及歐標(biāo)材料，不利于材料采購(gòu)以及鋼材的加工制作，并對(duì)后期的材料驗(yàn)收和焊接工藝評(píng)定帶來(lái)影響。通過(guò)對(duì)歐標(biāo)鋼材與國(guó)產(chǎn)鋼材在材質(zhì)、屈服強(qiáng)度、沖擊韌性、化學(xué)組成等方面進(jìn)行適應(yīng)性分析，筆者認(rèn)為可采取國(guó)標(biāo)鋼材替代，且替代后有利于鋼材的采購(gòu)、驗(yàn)收、評(píng)定及加工制作。

3)寒冷地區(qū)材料選取問(wèn)題:龍門(mén)架主材用S355-J0(替代國(guó)標(biāo)材料Q345C)。常年處于室外環(huán)境中，需論證鋼材在寒冷地區(qū)低溫環(huán)境的抗低溫沖擊要求。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》劃分工作級(jí)別的要求，考慮起重機(jī)的使用等級(jí)和荷載狀態(tài)級(jí)別，本吊車(chē)屬于輕級(jí)工作制吊車(chē)。按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)輕級(jí)工作制吊車(chē)的沖擊韌性無(wú)具體要求。后續(xù)低溫地區(qū)核電站設(shè)計(jì)時(shí)，可完成S355-J0材料及其匹配的焊接材料和焊接熱影響區(qū)的脆性溫度轉(zhuǎn)變曲線試驗(yàn)，作進(jìn)一步分析。

4)積水與防銹問(wèn)題:龍門(mén)架長(zhǎng)期處于室外環(huán)境，其連接節(jié)點(diǎn)位置易積水，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，設(shè)計(jì)采取的措施為:在容易集水的節(jié)點(diǎn)部位通過(guò)連接鋼板的倒角進(jìn)行排水。如遇封閉節(jié)點(diǎn)采取開(kāi)雨水孔的方式處理，用防腐膠泥填滿(mǎn)空腔處，使水不易集聚。

6 結(jié)語(yǔ)

1)某核電站龍門(mén)架通過(guò)采用核行業(yè)(EJ/T)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展對(duì)比CheckBox1核算，結(jié)果符合核行業(yè)(EJ/T)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)在國(guó)家積極發(fā)展核電及國(guó)產(chǎn)化的大背景下，本文對(duì)地基處理、耐久性、鋼材國(guó)產(chǎn)化及寒冷地區(qū)鋼材選取等問(wèn)題進(jìn)行了初步嘗試和探討，冀對(duì)同類(lèi)問(wèn)題的解決有所借鑒及幫助。

感謝:

本文編寫(xiě)過(guò)程中，張濤工程師參與了SAP2000建模及整體計(jì)算工作，在此表示衷心感謝。

[1]何 銳.優(yōu)化設(shè)計(jì)門(mén)式剛架[J］.山西建筑，2011，37(6):38-39.