核電站龍門架結構設計

郭俊營 李家寶 許海濤

0 引言

國家核安全局發布的《第二代改進型核電項目核安全審評原則》要求，第二代改進型核電項目設計和建造的標準原則上應采用法國RCC系列標準，并適當考慮設計自主化、設備本地化引起的標準適應性替代問題。關于RCC-G的補充要求:對于保持原有設計的子項，應以適用的新標準(如EJ/T系列)對典型廠房開展對比核算工作。

因此，采用EJ/T 1062-1998壓水堆核電廠核安全有關的鋼結構設計規范及GB 50017-2003鋼結構設計規范，對某核電站龍門架開展了整體分析及對比核算設計。

同時，對該核電站施工中反饋的設計問題進行了分析及總結。

1 龍門架相關資料

龍門架的主要功能是將大型設備從±0.000 m地面提升到+20.000 m平臺，以便從安全殼設備閘門轉運到反應堆廠房。

龍門架的工作狀態分為施工階段和正常運行階段。在反應堆的施工階段，龍門架應能保證3 800 kN起重機的正常使用。施工完成后，3 800 kN起重機、導軌、桁架梁等被拆除，只留下700 kN的輔助起重機用來進行正常運行階段的設備吊裝。

任何情況下，3 800 kN起重機和700 kN起重機不允許同時運行。

根據《起重機設計規范》劃分工作級別的要求，考慮起重機的使用等級和荷載狀態級別，700 kN和3 800 kN吊車屬于輕級工作制吊車。

2 場地相關資料

對應零周期的場地基巖極限安全水平地震動參數SL-2(SSE)取值為0.20g。豎直方向采用水平方向的2/3。

最低日平均室外計算溫度為27.1℃。

廠區地坪10 m高度的10 min年平均最大風速48.2 m/s，3 s陣風 77.1 m/s。

3 構筑物分級及結構布置

龍門架設計使用年限為45年(包括5年建造期)。其混凝土基礎及主鋼結構為非安全級(NC)、非核抗震類(NC*)、非規范級(NA)、質保1級的鋼結構框架。

龍門架主要由4根箱形柱和鋼(桁架)梁組成的空間框架結構(為主鋼結構)，其結構平面布置見圖1，結構豎向布置參見圖2。龍門架基礎采用混凝土聯合基礎，A，B兩列鋼柱分別坐落在－4.000 m及－9.000 m的中風化基巖上。

龍門架鋼框架材質主要采用S355-J0(與Q345C等效)。

4 結構整體計算及復核分析

采用SAP2000有限元分析軟件中的框架單元模擬龍門架。正常運行階段考慮地震作用，采用振型分解反應譜法，設計反應譜采用RG1.60譜。通過加載計算，得出龍門架鋼結構主體框架構件內力，并對內力較大的主要承重構件進行手算設計復核。

4.1 荷載組合

龍門架計算分施工階段和正常運行階段，荷載組合遵循《龍門架廠房設計準則》，考慮了正常運行及極端環境作用，其中施工階段7種(含3 800 kN吊車運行)、正常運行階段9種荷載組合(含700 kN吊車運行及地震作用)。

4.2 整體分析結果

施工階段部分包絡內力圖見圖2。

4.3 主要承重構件設計復核

1)施工階段驗算桿件包絡內力及驗算結果見表1。

表1 施工階段驗算桿件內力及驗算結果

2)正常使用階段驗算桿件包絡內力及驗算結果見表2。

4.4 變形驗算

變形驗算不考慮地震及龍卷風荷載，桿件內力及驗算結果見表3。

表2 正常運行階段驗算桿件內力及驗算結果(一)

表3 正常運行階段驗算桿件內力及驗算結果(二) mm

5 現場問題反饋及分析

1)地基處理問題:A列柱下的基礎為7 m×16 m的聯合基礎，板厚700 mm，底標高－4.00 m。原設計基礎應位于中風化基巖上。實際基底為粘性土，中風化巖層約在－10.00 m。現場向下開挖至基巖(有坡度，開挖深度至－17 m)，最后回填素混凝土進行處理。根據龍門架的安全與抗震類別分級，為非安全級(NC)和非核抗震類(NC*，即其抗震能力要進行驗證，以使其在SSE情況下不對抗震Ⅰ類廠房構成損害)。其設計要求同常規設計基本一致。因此，可以采用靈活、經濟的地基處理及基礎設計，如可采用聯合樁基設計等。

2)鋼材國產化:龍門架系核島廠房中最主要的鋼結構構件，設計時沿用了參考電站的法標及歐標材料，不利于材料采購以及鋼材的加工制作，并對后期的材料驗收和焊接工藝評定帶來影響。通過對歐標鋼材與國產鋼材在材質、屈服強度、沖擊韌性、化學組成等方面進行適應性分析，筆者認為可采取國標鋼材替代，且替代后有利于鋼材的采購、驗收、評定及加工制作。

3)寒冷地區材料選取問題:龍門架主材用S355-J0(替代國標材料Q345C)。常年處于室外環境中，需論證鋼材在寒冷地區低溫環境的抗低溫沖擊要求。根據《起重機設計規范》劃分工作級別的要求，考慮起重機的使用等級和荷載狀態級別，本吊車屬于輕級工作制吊車。按照《鋼結構設計規范》，對輕級工作制吊車的沖擊韌性無具體要求。后續低溫地區核電站設計時，可完成S355-J0材料及其匹配的焊接材料和焊接熱影響區的脆性溫度轉變曲線試驗，作進一步分析。

4)積水與防銹問題:龍門架長期處于室外環境，其連接節點位置易積水，導致鋼結構的腐蝕，設計采取的措施為:在容易集水的節點部位通過連接鋼板的倒角進行排水。如遇封閉節點采取開雨水孔的方式處理，用防腐膠泥填滿空腔處，使水不易集聚。

6 結語

1)某核電站龍門架通過采用核行業(EJ/T)標準開展對比CheckBox1核算，結果符合核行業(EJ/T)標準要求。

2)在國家積極發展核電及國產化的大背景下，本文對地基處理、耐久性、鋼材國產化及寒冷地區鋼材選取等問題進行了初步嘗試和探討，冀對同類問題的解決有所借鑒及幫助。

感謝:

本文編寫過程中，張濤工程師參與了SAP2000建模及整體計算工作，在此表示衷心感謝。

[1]何 銳.優化設計門式剛架[J］.山西建筑，2011，37(6):38-39.