隔震技術在核電領域應用前景分析

譚銘洪　李建光　柏延強　楊戰(zhàn)勇

【摘要】目前，隔震技術在民用領域應用廣泛，技術也較為成熟，尤其在汶川地震以后，國家更加重視抗震和隔震技術的在新建建筑物中的應用，大量隔震房屋出現(xiàn)，新型隔震材料也不斷推出，加速了隔震技術的發(fā)展。但基礎隔震在核電領域應用寥寥無幾，僅有的幾座核島隔震在國外應用，國內僅有樓層隔震和設備隔震在核電領域應用，這一方面受限于高的安全標準，同時也受限于特殊的結構體系和使用環(huán)境。本文主要分為兩部分，第一部分對隔震技術在民用領域的發(fā)展和應用；第二部分對隔震技術在核電領域的發(fā)展現(xiàn)狀和應用前景。旨在分析隔震技術在核電領域將何去何從。最后，提出隔震技術在核電領域的應用還需要解決哪些問題，為后續(xù)深入研究提供參考。

【關鍵詞】核電；基礎；隔震；橡膠

1、民用領域隔震技術的發(fā)展應用

隨著建筑行業(yè)的技術不斷發(fā)展，建筑物結構形式由早期的木結構和砌體結構，逐步轉為鋼筋混凝土結構、鋼結構和復合結構等為主，建筑物的質量和高度由最初的單層和多層結構也不斷發(fā)展為高層和超高層?，F(xiàn)代建筑結構材料的性能基本能夠滿足建筑工程需求，在正常使用工況下不會發(fā)生涉及生命財產安全的結構破壞，除超高層結構外，風荷載對典型建筑結構不會造成主要破壞。而地震荷載具有突發(fā)性和不確定性，地震荷載首先由地表傳至建筑物基礎，基礎隨著地表震動，帶動上部建筑物整體震動，由此產生很強大的破壞力。

對于地震荷載，除了利用建筑結構自身強度抵御外，還可利用隔震技術降低地震荷載傳到上部結構的內力。隔震技術也由來已久，早在一百多年前，已提出基礎隔震的概念，并陸續(xù)在一些建筑中加以嘗試應用。

隨著地震工程理論的逐步建立以及實際地震對結構工程的進一步考驗，特別是近二三十年來，由于采用大量的強震記錄儀對地震進行觀測，使人們較快地積累了有關隔震及非隔震結構工作性能的定量化經驗，從而對早期提出的一些隔震方法進行了淘汰與升華。其中疊層橡膠墊基礎隔震體系被認為是隔震技術邁向實用化最卓有成效的體系。

上世紀60年代以來，新西蘭、日本、美國等多發(fā)地震的國家對隔震系統(tǒng)投入大量的人力物力，開展了深入系統(tǒng)的理論、試驗研究，取得了卓有成效的成果。70年代起，新西蘭學者W.H.Robinson通過大量實驗，首次提出鉛芯橡膠支座元件，鉛芯橡膠支座水平剛度大、阻尼大、豎向承載力可靠和具備豎向拉力等特性，同時具有良好的經濟性，因此，鉛芯橡膠支座的提出奠定了基礎隔震技術在工程中的推廣應用。此后的1984年，四層建筑新西蘭WmiamClayton政府辦公大樓通過近10年的試驗，比對各類隔震消能裝置，最終選擇鉛芯橡膠支座為建筑物隔震消能元件加以應用。在美國、日本、新西蘭、發(fā)過、意大利等國家，橡膠隔震支座大量應用在橋梁和建筑中，法國和南非等國家也將橡膠隔震支座推廣應用至核電主要建筑物中。到目前為止，世界上應用隔震支座的建筑物已有上萬棟，其中，80%以上采用的是疊層橡膠隔震系統(tǒng)。

傳統(tǒng)抗震設計思路為“小震不壞、中震可修、大震不倒”，是“硬功夫”。導致上部結構承受巨大的地震力，而使得結構自身負擔較大，為地震付出的“保險費”太大。改用隔震的思路“軟功夫”可以超前實現(xiàn)抗震規(guī)范要求的“小震不妨、設防烈度可修、大震不倒”。我國在建筑物建設過程中，已慢慢改變傳統(tǒng)抗震設計觀念，優(yōu)先考慮隔震設計來降低地震對上部結構的影響，不僅確保了建筑物的安全性，在經濟上也取得了良好效果。

我國主要研究和應用的隔震體系以經濟性較好的橡膠隔震體系為主，通過一系列研究、試驗和工程建設，在材料選擇、理論分析、模型建立和工程建造等方面取得了一定的成果。

橡膠隔震體系通過設置隔震層，將結構分為上部結構、隔震層和下部結構三部分，地震時的地震能量經由下部結構傳到隔震層，由隔震層的隔震裝置吸收并消耗主要地震能量后，傳至上部結構的地震能量很少，同時，通過計算設置特定的橡膠隔震層阻尼，使上部結構的周期進行改變，降低地震加速度，即上部結構的地震內力降低了，基本能夠確保地震發(fā)生時上部結構整體“移動”，產生較小的層間位移，使得上部結構處在彈性變形階段，確保結構體系的安全可靠。

2、隔震技術在核電領域的發(fā)展

目前，全球共有六座投入運營的壓水堆核電站采用了隔震技術，其中法國Cruas核電廠有四座，南非Koeberg核電廠有兩座，技術全部來自法國，均采用橡膠支座和金屬滑動支座的組合體，安全停堆地震動加速度峰值分別為0.2g和0.3g，而歐洲、美國、日本和韓國即將在新型小型堆中應用。六座壓水堆的隔震支座壽命達三十年以上，但已暴漏隔震墊耐久性達不到預期效果，剛度硬化增加超過預期值（預期值為30%），機械性能也發(fā)生了不同程度的變化，尤其是南非KOEBERG核電站的隔震墊。法國的Cruas壓水堆核電站采取了1800個500mmx500mmx65mm的橡膠墊層，而南非的Koeberg核電站采用了2000個700mmx700mmx100mm的橡膠隔震支座，該墊層采用了橡膠支座加滑動摩擦板，隔震體系把核電站有關結構建立在上層筏板基礎上，在下層筏板上裝有疊層橡膠，在上下筏板之間安裝2塊滑板，通過滑板的摩擦減小地震力向上傳播。但正如上述，經過輻照和鹽霧環(huán)境，橡膠墊老化嚴重，這種技術已過時，目前研制成功的隔震系統(tǒng)有高阻尼橡膠隔震系統(tǒng)在抗老化和結構性能方面均由長足進步。

2.1隔震技術在核電領域的應用前景分析

國內尚無在核電廠廠房建設中應用基底隔震體系的工程，但研究機構對隔震在核電廠的應用做了很多研究和試驗。

通過ANSYS模型分析得出安全殼隔震后和隔震前10階固有周期，如下表1所示。

對非隔震結構和隔震結構體系進行時程分析，輸入時程根據RG1.60標準譜進行標定，廠址SL-2級設計基準地面運動基巖水平向、豎向峰值加速度值分別為0.10g和0.66h。通過時程分析，隔震安全殼的位移主要集中在隔震層，核島廠房隔震后的最大總位移為7.7mm，隔震層位移7.6mm，上部結構最大位移僅0.1mm，基本處于平移狀態(tài)。而非隔震結構，上部結構變形較大，且隨著上部結構高度增加，位移也增大，最大位移0.5mm。同樣的結構體系對比結構加速度反應，采用隔震技術的安全殼及速度反應明顯減小，是非隔震結構加速度的50%左右。

同日本將隔震技術在核電領域的應用類似，國內的隔震技術引入核電領域也是從應急指揮中心開始的，由廣州大學減震控制與結構安全國家重點實驗室完成的防城港應急指揮中心就采用了隔震技術。應急指揮中心建筑隔震層設置在基礎頂面，隔震基座選用鉛芯型橡膠支座外圍布置，結合內部天然橡膠支座布置的方式，隔震前后的基本周期分別為0.0821s和2.2799s，相差27.8倍，較環(huán)境保護部核與輻射安全中心模擬計算隔震前后安全殼的基本周期相差13.6倍大很多。且第三階扭轉振型模態(tài)質量參與系數達到99.9%，高階振型對結構影響很小。隔震后結構的抗震安全儲備大大提高，結構地震剪力最大值減震效果達70%～80%，減震效果明顯。

在福島地震后，福島核電站內采用隔震技術的福島核電站應急指揮中心結構完整，功能正常，證明了隔震體系對減輕地震效應是切實有效的。我國核電廠抗震設計輸入值一直采用美國70年代標準做法，迄今為止尚未有新的改動，CRP1000機組采用的標準輸入值為0.2g（采用RG1.6譜），但三代核電AP1000機組的抗震設計標準輸入值已高達0.3g（水平向和豎向），且采用RG1.60修正譜。今后新建核電選址，SSE可能超過0.3g，而臺灣已確定的核電廠址SSE均達到0.4～0.5g。1996年，由谷方毓首次在國內提出了核電站基礎隔震分析，并于1999年，進一步對核電站安全殼進行了隔震分析。

上海核工院在院內制定了比美國更為嚴格的場址設計反應譜放大系數，將場址設計反應譜的放大系數DF分為三檔在1.0～2.0之間框定。對低烈度區(qū)DF取1.5～2.0，中烈度區(qū)DF取1.2～1.5，高烈度區(qū)DF取1.0～1.2。對于低烈度區(qū)，基本烈度多為6度0.05g，現(xiàn)行SSE多在0.15g附近，而AP1000等三代機組設計地震輸入標準值為0.3g，上述DF取1.5～2.0的標準已滿足要求，對該類廠址無需采取額外技術措施。對于中等烈度區(qū)，基本烈度區(qū)劃分為7度0.1g，現(xiàn)行SSE約為0.2g，個別有大于0.25g，就需要采取技術措施來降低上部地震效應。對于高地震烈度區(qū)，基本烈度區(qū)8度0.2g～0.3g，參考臺灣地區(qū)核電廠址SSE多為0.4～0.5g，按照DF為1.0～1.2放大系數，此時，就更有必要采用隔震技術來確保上部結構體系的安全性了。根據上海核工院的上述研究，隔震技術在今后核電領域應用多在中震地區(qū)，結合我國實際情況，在高震地區(qū)選址的可能性不大，而隨著安全標準的提高，低烈度區(qū)可考慮隔震技術的應用。

3、問題

材料：隨著材料和制造工藝的改進及高性能的新型隔震系統(tǒng)與新型隔震墊材料的研發(fā)，新型隔震墊產品的耐久性能得到了較大的改善。目前，采用聚四氟乙烯作為滑動式隔震墊的材料可以承受較高的輻射劑量且照射后的性能沒有明顯的惡化。

標準：在標準建設方面，國內僅有民用規(guī)范可依據，關于隔震支座的有《建筑隔震橡膠支座》（JG118-2000）和《墊層橡膠支座隔震技術規(guī)程》（CECS126-2001），另有隔震方面的規(guī)范《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）增加了第12章“隔震和消能減震設計”和一些相關的構造圖集、詳圖等。

施工：核島建造引入基礎隔震技術會帶來新的問題，包括擋土墻、筏板基礎墊層、土方開挖、地下管廊和管線等，如何處理以上工程對整體工程的施工工序、技術和造價影響，需要有詳細的研究和評價。

4、結束語

從民用和核電領域的分析來看，隔震技術在核電領域的應用雖然有一定的局限性，但應用范圍較廣，在樓層隔震和設備隔震等方面有一定應用基礎。大范圍應用隔震技術還需要解決一系列技術、標準和工程問題。

1.尚沒有工程實例參考，就沒有實際檢測數據加以應用和參考。

2.規(guī)范和標準亟待行業(yè)內建立。

3.仍需做詳細的分析，諸如因使用隔震層而產生的大位移，對地下管廊、設備管網的影響等如何解決。地下施工工序、施工工藝的變化較大，經濟性和工期影響需認真考慮。對核電關心的LOCA等重大事故需重新論證。

參考文獻

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