局部隔振技術在核電工程中的運用

付愛群 湯麗芳 丁志新

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東深圳 518172)

1 隔振(震)原理

傳統抗震通過加大結構構件截面和提高材料性能來達到增加結構整體剛度的目的，降低地震對結構的破壞。然而，結構自身剛度增加的同時往往伴隨質量的增大，使得結構自身對地震作用下的振動響應亦隨之放大，進而需要更強的剛度來抵御。所以，這種傳統“消極被動”抗震措施雖然有效，卻存在材料上的浪費，且當遭受超過設計基準地震作用時，耗能構件為受力構件，震后不利于修復和替換。現代結構引進隔震、消能減震技術。隔震技術是采用一種特殊的措施來隔離地面或樓面振動對上部結構及設備、設施的影響，將振動的能量部分由隔震支座和消能裝置所吸收，從而使上部結構及設備、設施免受振動的影響，或減少影響，以保證上部結構或其上重要設備及儀表的正常運行。這是“積極主動”的抗震對策。采用單自由度彈性體系的地震反應譜來簡要說明隔震原理。圖1，圖2為上部結構的加速度反應譜和位移反應譜。一般鋼筋混凝土建筑物剛性大，周期短，在地震作用下，加速度反應大，位移反應小，即為圖中的A點。延長建筑物周期，阻尼保持不變，則加速度反應降低，位移反應增加，即為圖中B點。在延長建筑物周期的同時，加大結構的阻尼，則加速度反應減小，位移反應得以抑制，即為圖中C點。由此可見，適當延長結構的周期，并給予恰當的阻尼可有效降低結構反應。隔振(震)技術就是實現二者的有機結合。建筑隔震結構包括上部結構、隔振(震)裝置和下部結構三部分。依據隔振裝置所設置的部位，隔振技術在核電工程中的應用分為基底隔震、樓層隔振及設備隔振。其中樓層隔振和設備隔振又統稱為局部隔振。

圖1 加速度反應譜

圖2 位移反應譜

2 核電工程隔振特點

核電工程面臨的環境要比其他民用工程更復雜，不僅受到環境因素嚴格制約，更擔心造成潛在放射性污染環境的風險。核電廠內部結構和設施及其相互之間的聯系和制約要比一般工程更為復雜和脆弱。核電工程要求的安全性和可靠性遠遠高于其他工程。隔振技術中，基底隔震是最基本的形式，也是在工程中應用最多的隔震形式。基底隔震是在建筑物基礎和上部結構之間設置隔震裝置并形成隔震層，使基礎與上部結構隔開，阻隔或減少地震能量向上部結構傳遞。核電廠選址要求嚴格，目前我國核電廠主要分布在地震設防烈度小且水源充足的東南沿海一帶，已有的標準化設計能抵抗設計地震的作用，無采取基底隔震技術的必要。因此，目前國內核電工程尤其核島項目基底隔震技術停留在科研階段，在國內核電站中運用較多的是樓層隔振和設備隔振。

3 樓層隔振在核電廠中的運用

樓層隔振一般是在建筑物上部某層將豎向構件頂部全部或部分斷開，在豎向構件頂端與上部樓板之間設置隔振支座。樓層隔振結構是一種新的建筑隔震形式，樓層隔振與基底隔震原理相同，可以減少地面運動向上傳遞，且上部結構通過樓層隔振裝置可以減小對下部結構的振動影響。與基底隔震方案相比，樓層隔振具有如下優點:1)樓層隔振建筑不需要特意為隔振層在地震時發生的較大位移預留空間，也不必設置與預留空間相對應的構造措施。2)降低結構土建造價。基底隔振層頂部需增設梁板式樓蓋，樓層隔振則不需要。因隔振層上方的結構為整體結構的一部分，可減小建筑隔振支座數量或尺寸，具有顯著的經濟效益。3)樓層隔振可以提高結構抗傾覆能力。建筑隔振支座抗拉性能較差，相對基底隔震方案而言，由于樓層隔振結構中隔振層位置相對較高，結構的抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值更大，提高了結構的抗傾覆能力。4)施工方便。穿越隔振層的軟管等設施設置在地面以上，便于施工、維修和更換。核電廠核島結構整體性強，很少考慮樓層隔振。但是根據樓層隔振的思路，可將某重要房間進行隔振。如某核電廠主控室采用局部樓層隔振(震)方案:將主控室的功能設計在一個13.2 m×16.8 m，高4.82 m的鋼框架內，并將該鋼框架支撐在18個彈簧支座上面，在鋼框架的底板、頂板及四周側墻均用6 mm的鋼板屏蔽消音，且加設消音板。在鋼框架底板，布置100 mm厚巖棉板;在鋼框架的側墻及頂板周圍，布置120 mm厚玻璃棉板。這種創新的“房中房”方案，使得主控室有個良好的獨立的工作環境。經過計算分析，在地震作用下，結構整體呈現出平動的特性。水平向地震作用下絕對加速度降低60%左右，水平向地基反力降低70%以上，樓層反應譜峰值加速度降低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，樓層反應譜降低20%左右。地震作用下平穩的主控室環境，可降低操作人員在地震期間操作失誤的概率，實現安全停堆。該局部樓層隔振方案的采用，相比整個核島隔振，有效的控制造價，同時也保證了重點功能區域的正常使用。

4 設備隔振在核電廠中的運用

設備隔振是在設備與設備基礎或樓板之間安裝隔振裝置。地震發生時，設備基礎或樓板產生振動，再通過隔振裝置的消能，只有部分地震能量傳到上部設備上。地震變形主要發生在隔震裝置上，使得傳向設備的振動動能和地震變形控制在可承受范圍內，保護設備不因強震而破壞。此外，設備隔震裝置也可以阻止或減輕上部設備的振動對支承樓板的影響。核電工程中布滿了電氣、儀控、暖通、給排水等專業的設備、管道及閥門，其中有一些對振動十分敏感，通過本身結構的設計無法滿足設計要求。法國、南非、日本等國在核電廠的管道系統、泵、閥門等很多主要設備上采用了隔振技術，安裝了各種形式的隔振裝置。斯洛伐克Bohunice的蒸汽發生器采用了彈簧隔振方案。我國在建運行核電機組選址分布在東南沿海一帶地震設防烈度小的區域，核島及常規島廠房均未采用基底隔振技術。在地震作用下，結構能滿足抗震的要求，但是對于一些無法滿足振動要求的設備，采用設備隔振技術，確保關鍵設備地震作用下的正常使用。如常規島的汽輪發電機組、應急柴油發電機及給水泵等。某核電廠二期汽輪機采用彈簧隔振支座方案，汽機基礎頂板長度55.94 m，汽輪機位置寬度為17 m，發電機位置寬度為13 m。臺面標高為16.17 m，頂板厚度為3.8 m～4.0 m，底板厚度為3.9 m，總計74個彈簧 +阻尼單元分布在12根柱頂上。隔振前系統(機器及基礎臺板)的固有頻率為20 Hz～25 Hz，隔振后系統(機器、支座及基礎臺板)的固有頻率減小到3 Hz～3.5 Hz，使得系統的固有頻率遠離了機器的工作頻率(25 Hz～30 Hz)，避免了共振的發生。使用彈簧支座后，基礎的動力放大系數為0.016，遠小于1，表明減振效果非常好。同時彈簧基礎的側向剛度低，阻尼器具有良好的耗能作用，可以降低臺板的地震響應(包括位移和加速度)，地震作用減少，機組運行時，機組轉子受到外來沖擊的受迫振動大幅減少。設備隔振技術主要是在一些通過設備自身設計無法滿足振動要求的關鍵設備上采用。相比整個核島隔振，局部點域的設備隔振，有效的控制了造價，同時也保證了重點設備的正常使用，降低了設備對設備基礎或樓板的作用。

5 結語

通過對以上兩種局部隔振方式的探討分析，局部隔振技術在核電工程中具有非常大的潛在優勢。可以為改善核電工程的整體可靠性和抗震安全性，為設備國產化提供可靠的技術支撐，可以有效的控制造價，確保重點區域或設備的正常運行。

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