局部隔振技術(shù)在核電工程中的運(yùn)用

付愛(ài)群 湯麗芳 丁志新

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東深圳 518172)

1 隔振(震)原理

傳統(tǒng)抗震通過(guò)加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和提高材料性能來(lái)達(dá)到增加結(jié)構(gòu)整體剛度的目的，降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。然而，結(jié)構(gòu)自身剛度增加的同時(shí)往往伴隨質(zhì)量的增大，使得結(jié)構(gòu)自身對(duì)地震作用下的振動(dòng)響應(yīng)亦隨之放大，進(jìn)而需要更強(qiáng)的剛度來(lái)抵御。所以，這種傳統(tǒng)“消極被動(dòng)”抗震措施雖然有效，卻存在材料上的浪費(fèi)，且當(dāng)遭受超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震作用時(shí)，耗能構(gòu)件為受力構(gòu)件，震后不利于修復(fù)和替換。現(xiàn)代結(jié)構(gòu)引進(jìn)隔震、消能減震技術(shù)。隔震技術(shù)是采用一種特殊的措施來(lái)隔離地面或樓面振動(dòng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)及設(shè)備、設(shè)施的影響，將振動(dòng)的能量部分由隔震支座和消能裝置所吸收，從而使上部結(jié)構(gòu)及設(shè)備、設(shè)施免受振動(dòng)的影響，或減少影響，以保證上部結(jié)構(gòu)或其上重要設(shè)備及儀表的正常運(yùn)行。這是“積極主動(dòng)”的抗震對(duì)策。采用單自由度彈性體系的地震反應(yīng)譜來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明隔震原理。圖1，圖2為上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)譜和位移反應(yīng)譜。一般鋼筋混凝土建筑物剛性大，周期短，在地震作用下，加速度反應(yīng)大，位移反應(yīng)小，即為圖中的A點(diǎn)。延長(zhǎng)建筑物周期，阻尼保持不變，則加速度反應(yīng)降低，位移反應(yīng)增加，即為圖中B點(diǎn)。在延長(zhǎng)建筑物周期的同時(shí)，加大結(jié)構(gòu)的阻尼，則加速度反應(yīng)減小，位移反應(yīng)得以抑制，即為圖中C點(diǎn)。由此可見(jiàn)，適當(dāng)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期，并給予恰當(dāng)?shù)淖枘峥捎行Ы档徒Y(jié)構(gòu)反應(yīng)。隔振(震)技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)二者的有機(jī)結(jié)合。建筑隔震結(jié)構(gòu)包括上部結(jié)構(gòu)、隔振(震)裝置和下部結(jié)構(gòu)三部分。依據(jù)隔振裝置所設(shè)置的部位，隔振技術(shù)在核電工程中的應(yīng)用分為基底隔震、樓層隔振及設(shè)備隔振。其中樓層隔振和設(shè)備隔振又統(tǒng)稱為局部隔振。

圖1 加速度反應(yīng)譜

圖2 位移反應(yīng)譜

2 核電工程隔振特點(diǎn)

核電工程面臨的環(huán)境要比其他民用工程更復(fù)雜，不僅受到環(huán)境因素嚴(yán)格制約，更擔(dān)心造成潛在放射性污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。核電廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)施及其相互之間的聯(lián)系和制約要比一般工程更為復(fù)雜和脆弱。核電工程要求的安全性和可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他工程。隔振技術(shù)中，基底隔震是最基本的形式，也是在工程中應(yīng)用最多的隔震形式?；赘粽鹗窃诮ㄖ锘A(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置并形成隔震層，使基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)隔開(kāi)，阻隔或減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞。核電廠選址要求嚴(yán)格，目前我國(guó)核電廠主要分布在地震設(shè)防烈度小且水源充足的東南沿海一帶，已有的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)能抵抗設(shè)計(jì)地震的作用，無(wú)采取基底隔震技術(shù)的必要。因此，目前國(guó)內(nèi)核電工程尤其核島項(xiàng)目基底隔震技術(shù)停留在科研階段，在國(guó)內(nèi)核電站中運(yùn)用較多的是樓層隔振和設(shè)備隔振。

3 樓層隔振在核電廠中的運(yùn)用

樓層隔振一般是在建筑物上部某層將豎向構(gòu)件頂部全部或部分?jǐn)嚅_(kāi)，在豎向構(gòu)件頂端與上部樓板之間設(shè)置隔振支座。樓層隔振結(jié)構(gòu)是一種新的建筑隔震形式，樓層隔振與基底隔震原理相同，可以減少地面運(yùn)動(dòng)向上傳遞，且上部結(jié)構(gòu)通過(guò)樓層隔振裝置可以減小對(duì)下部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響。與基底隔震方案相比，樓層隔振具有如下優(yōu)點(diǎn):1)樓層隔振建筑不需要特意為隔振層在地震時(shí)發(fā)生的較大位移預(yù)留空間，也不必設(shè)置與預(yù)留空間相對(duì)應(yīng)的構(gòu)造措施。2)降低結(jié)構(gòu)土建造價(jià)?；赘粽駥禹敳啃柙鲈O(shè)梁板式樓蓋，樓層隔振則不需要。因隔振層上方的結(jié)構(gòu)為整體結(jié)構(gòu)的一部分，可減小建筑隔振支座數(shù)量或尺寸，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。3)樓層隔振可以提高結(jié)構(gòu)抗傾覆能力。建筑隔振支座抗拉性能較差，相對(duì)基底隔震方案而言，由于樓層隔振結(jié)構(gòu)中隔振層位置相對(duì)較高，結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值更大，提高了結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。4)施工方便。穿越隔振層的軟管等設(shè)施設(shè)置在地面以上，便于施工、維修和更換。核電廠核島結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，很少考慮樓層隔振。但是根據(jù)樓層隔振的思路，可將某重要房間進(jìn)行隔振。如某核電廠主控室采用局部樓層隔振(震)方案:將主控室的功能設(shè)計(jì)在一個(gè)13.2 m×16.8 m，高4.82 m的鋼框架內(nèi)，并將該鋼框架支撐在18個(gè)彈簧支座上面，在鋼框架的底板、頂板及四周側(cè)墻均用6 mm的鋼板屏蔽消音，且加設(shè)消音板。在鋼框架底板，布置100 mm厚巖棉板;在鋼框架的側(cè)墻及頂板周圍，布置120 mm厚玻璃棉板。這種創(chuàng)新的“房中房”方案，使得主控室有個(gè)良好的獨(dú)立的工作環(huán)境。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，在地震作用下，結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)出平動(dòng)的特性。水平向地震作用下絕對(duì)加速度降低60%左右，水平向地基反力降低70%以上，樓層反應(yīng)譜峰值加速度降低60%左右，零周期加速度降低38%，水平隔振效果非常明顯。豎向地震作用下地基反力降低30%以上，樓層反應(yīng)譜降低20%左右。地震作用下平穩(wěn)的主控室環(huán)境，可降低操作人員在地震期間操作失誤的概率，實(shí)現(xiàn)安全停堆。該局部樓層隔振方案的采用，相比整個(gè)核島隔振，有效的控制造價(jià)，同時(shí)也保證了重點(diǎn)功能區(qū)域的正常使用。

4 設(shè)備隔振在核電廠中的運(yùn)用

設(shè)備隔振是在設(shè)備與設(shè)備基礎(chǔ)或樓板之間安裝隔振裝置。地震發(fā)生時(shí)，設(shè)備基礎(chǔ)或樓板產(chǎn)生振動(dòng)，再通過(guò)隔振裝置的消能，只有部分地震能量傳到上部設(shè)備上。地震變形主要發(fā)生在隔震裝置上，使得傳向設(shè)備的振動(dòng)動(dòng)能和地震變形控制在可承受范圍內(nèi)，保護(hù)設(shè)備不因強(qiáng)震而破壞。此外，設(shè)備隔震裝置也可以阻止或減輕上部設(shè)備的振動(dòng)對(duì)支承樓板的影響。核電工程中布滿了電氣、儀控、暖通、給排水等專業(yè)的設(shè)備、管道及閥門，其中有一些對(duì)振動(dòng)十分敏感，通過(guò)本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。法國(guó)、南非、日本等國(guó)在核電廠的管道系統(tǒng)、泵、閥門等很多主要設(shè)備上采用了隔振技術(shù)，安裝了各種形式的隔振裝置。斯洛伐克Bohunice的蒸汽發(fā)生器采用了彈簧隔振方案。我國(guó)在建運(yùn)行核電機(jī)組選址分布在東南沿海一帶地震設(shè)防烈度小的區(qū)域，核島及常規(guī)島廠房均未采用基底隔振技術(shù)。在地震作用下，結(jié)構(gòu)能滿足抗震的要求，但是對(duì)于一些無(wú)法滿足振動(dòng)要求的設(shè)備，采用設(shè)備隔振技術(shù)，確保關(guān)鍵設(shè)備地震作用下的正常使用。如常規(guī)島的汽輪發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)及給水泵等。某核電廠二期汽輪機(jī)采用彈簧隔振支座方案，汽機(jī)基礎(chǔ)頂板長(zhǎng)度55.94 m，汽輪機(jī)位置寬度為17 m，發(fā)電機(jī)位置寬度為13 m。臺(tái)面標(biāo)高為16.17 m，頂板厚度為3.8 m～4.0 m，底板厚度為3.9 m，總計(jì)74個(gè)彈簧 +阻尼單元分布在12根柱頂上。隔振前系統(tǒng)(機(jī)器及基礎(chǔ)臺(tái)板)的固有頻率為20 Hz～25 Hz，隔振后系統(tǒng)(機(jī)器、支座及基礎(chǔ)臺(tái)板)的固有頻率減小到3 Hz～3.5 Hz，使得系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)離了機(jī)器的工作頻率(25 Hz～30 Hz)，避免了共振的發(fā)生。使用彈簧支座后，基礎(chǔ)的動(dòng)力放大系數(shù)為0.016，遠(yuǎn)小于1，表明減振效果非常好。同時(shí)彈簧基礎(chǔ)的側(cè)向剛度低，阻尼器具有良好的耗能作用，可以降低臺(tái)板的地震響應(yīng)(包括位移和加速度)，地震作用減少，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)子受到外來(lái)沖擊的受迫振動(dòng)大幅減少。設(shè)備隔振技術(shù)主要是在一些通過(guò)設(shè)備自身設(shè)計(jì)無(wú)法滿足振動(dòng)要求的關(guān)鍵設(shè)備上采用。相比整個(gè)核島隔振，局部點(diǎn)域的設(shè)備隔振，有效的控制了造價(jià)，同時(shí)也保證了重點(diǎn)設(shè)備的正常使用，降低了設(shè)備對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)或樓板的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上兩種局部隔振方式的探討分析，局部隔振技術(shù)在核電工程中具有非常大的潛在優(yōu)勢(shì)?？梢詾楦纳坪穗姽こ痰恼w可靠性和抗震安全性，為設(shè)備國(guó)產(chǎn)化提供可靠的技術(shù)支撐，可以有效的控制造價(jià)，確保重點(diǎn)區(qū)域或設(shè)備的正常運(yùn)行。

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