汽機廠房第一跨結構設計淺析

陶靜

【摘?要】汽機廠房第一跨緊鄰核島輔助、附屬廠房，內部設有電站縱深防御系統，其結構的穩定性直接影響到核島安全級構筑物的安全及縱深防御系統的可用性。本文介紹了汽機房第一跨結構設計過程中，第一跨結構設計選型，結構設計計算分析方法，結構設計中對主蒸汽和主給水管道破管荷載的考慮，以及結構抗震、抗龍卷風的穩定性和變形復核驗算過程及結論，對后續國內AP1000機組汽機廠房第一跨結構設計提出了建議。

【關鍵詞】汽機廠房第一跨;破管;抗震;抗龍卷風

1.概述

AP1000核電機組的電站總平面及設備綜合布置有其特殊性，緊鄰核島的汽機廠房第一跨布置有電站縱深防御系統。第一跨結構的穩定性直接影響到核島安全級構筑物的安全性及縱深防御系統的可用性。

本文介紹三門核電項目1、2號機組汽機廠房第一跨布置方案、結構選型、結構設計計算分析方法、主管道破管對結構設計的影響、結構抗震與抗龍卷風荷載驗算情況，從第一跨的結構設計方面提出一些建議，供后續AP1000機組汽機廠房第一跨設計借鑒。

2.第一跨結構設計

2.1第一跨結構選型及其原因分析

與第一跨結構緊鄰的核島輔助廠房為抗震I類結構，其內布置有安全相關系統和設備，地震或其他外部事件不得對核島輔助廠房的安全功能和結構完整性構成威脅以致影響到電站的安全。

根據上述要求，第一跨結構設計選型需考慮以下因素：

a）第一跨結構需保證在極限外部荷載作用的下，第一跨結構不倒且其結構彈塑性變形與核島彈塑性變形之和不得超過第一跨墻體與11號墻間的間距（300mm）。

b）第一跨結構需保證主蒸汽和主給水管道斷裂甩擊及噴射流對11號墻不產生影響。

據此，在施工設計階段通過分析和評估將第一跨結構確定為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，底板與汽輪機廠房底板相連，上部結構與汽輪機廠房主體結構脫開（地下部分分開100mm，地上部分分開250mm）。

2.2第一跨結構設計模型

如圖3.1所示，第一跨采用全鋼筋混凝土框架剪力墻結構，縱向自T.0至1/T.0軸，柱距6.782m，橫向自T.A軸至T.F軸同汽機廠房，長為39.8m。共計5層，地下一層，地上四層，樓面標高分別為-7.500m，0.000m，5.339m，10.749m，16.244m，屋面標高22.970m。汽機廠房第一跨基礎型式采用筏板基礎，與汽機房基礎底板連成一體，以增強基礎的抗傾覆、抗滑移能力。

2.3第一跨結構計算方法

根據第一跨結構形式和布置特點，選用SATWE計算軟件進行第一跨結構設計。采用空間桿單元模擬梁、柱桿件，用在殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。對第一跨進行內力分析時，施加的恒載包括結構構件自重，填充墻體自重，施加的樓、屋面活載包括設備荷載，管道荷載，電纜橋架荷載及檢修荷載，疊加計算風荷載和地震作用。

2.4破管荷載對第一跨結構影響分析

2.4.1破管荷載分析

從工程設計保守角度，第一跨結構設計中甩管荷載按主蒸汽和主給水管道同時發生一點破管作用來考慮。根據主蒸汽和主給水管道破管分析結果，主蒸汽和主給水管道破裂后的甩擊及噴射作用大部分可通過第一跨鋼筋混凝土剪力墻進行限位，不需要在T.0、T.1軸墻體和汽機主廠房間設置其他防甩裝置，第一跨鋼筋混凝土結構強度滿足主蒸汽和主給水管道破管荷載的要求。

根據上述主蒸汽管道破管荷載計算結果，主蒸汽管道破管是會發生甩管，需考慮增設吸能鋼梁減小管道甩擊荷載。考慮直接減小主蒸汽管道甩管的打擊動能，將鋼梁布置在貼近管道處。吸收鋼梁的計算模型與位置如下附圖所示。

3.第一跨抗震設計驗算

3.1抗震設計與驗算標準問題

汽機廠房第一跨與抗震II類核安全相關的輔助廠房、附屬廠房毗鄰，為保證核安全構筑物的安全，因此必須通過計算評估汽機廠房第一跨在廠址SL-2地震震動下的結構變形性能，來驗證第一跨結構變形不會影響到核島的輔助、附屬廠房結構。

3.2第一跨抗震驗算分析

3.2.1驗算分析方法

汽機廠房第一跨抗震驗算采用有限元分析與設計軟件SAP2000對汽機廠房第一跨結構進行地震作用下的彈塑性變形驗算，建立的三維空間整體計算模型見后附圖，X向為結構縱向（即核島到常規島方向），Y向為結構橫向，Z向為豎直方向。抗震規范規定建筑結構在特定水平的地震作用下，進行結構彈塑性變形驗算可采用靜力非線性（Pushover）分析。

3.2.2結構抗震驗算結論

通過有限元分析結構在規定地震作用下的彈塑性變形驗算，分析結果獲得結構最大彈塑性位移X向156mm，Y向40mm，不會影響到其周邊的核島輔助、附屬廠房結構。整個結構在地震作用下不會倒塌，且其變形小于300mm，結構是安全可靠的。

4.后續項目第一跨結構設計建議

AP1000機組是先進的第三代反應堆，是今后國內核電發展的趨勢。從三門項目第一跨結構設計經驗來看，有如下建議可供后續項目汽機廠房第一跨結構設計參考：

4.1基礎底板相連

汽機廠房第一跨底板與汽機主廠房底板連成一體，可以增強基礎的抗傾覆、抗滑移能力，增加基礎自重，可以抵抗管道破管產生的上拔力，有利于結構安全。

4.2獨立的鋼筋混凝土結構

汽機廠房第一跨結構同汽機廠房主體結構相對獨立，有利于功能隔離，結構受力體系清晰，傳力路線直接。其次抗震驗算時，僅需驗證第一跨本體結構在廠址極限SL-2地震加速度下廠房的變形，有利于簡化結構計算分析模型。

由于汽機廠房第一跨平面布置形式為縱向單跨結構，縱向柱距僅為6.782m，結構易發生縱向變形傾覆。第一跨采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構，其在地震和甩管荷載作用下抵抗變形能力優于鋼結構廠房。

4.3對主管道破管荷載的考慮

汽機廠房第一跨結構設計將主管道破管甩擊荷載考慮為偶然荷載，在甩管荷載作用區域可以設置多道縱、橫方向的剪力對破管進行限位，同時通過設置吸能鋼梁來增強結構的抗破管甩擊荷載能力。

4.4第一跨采用非抗震類構筑物設計標準

核島的設計功能要求汽輪機廠房包括第一跨在必須通過分析證明不會對核島輔助廠房產生破壞。AP1000標準設計已將汽機廠房第一跨由非抗震類變更為抗震II類構筑物。

三門項目汽機廠房第一跨通過廠址極限安全地震（SL-2）作用下抗震復核驗算表明其結構是安全可靠的，不會對核島輔助廠房產生破壞。在后續AP1000機組設計中，汽機廠房第一跨仍可按非抗震類構筑物設計標準進行設計，但必須采用廠址安全地震（SL-2）進行復核。

5.總結

汽機廠房第一跨緊鄰核島輔助、附屬廠房布置，布置有核島的系統和設備，核島功能要求要求汽機廠房第一跨在極限工況下不會對核島產生不利影響。

三門項目汽機廠房第一跨結構設計過程中，通過變更結構型式為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，開展主管道破管對結構影響，增加吸能鋼梁，驗算結構在廠址極限地震震動（SL-2）作用和廠址極限龍卷風作用下的變形等方式，證明第一跨鋼筋混凝土結構可以滿足核島的功能要求。對于后續項目汽機廠房第一跨結構設計，提出了我的一些不成熟的看法和建議，供后續項目第一跨結構設計參考。

參考文獻：

[1]核電廠抗震設計規范，GB50267-97，國家地震局，1997

[2]核電廠的抗震設計與鑒定，HAD102/02，國家核安全局，1996

[3]汽機廠房第一跨結構安全分析報告，華東電力設計院，SMG-2100-S2-101，REV.0，2009

[4]汽機廠房第一跨主蒸汽和主給水管道斷裂甩管和噴射計算報，上海核工程研究設計院，SM1-2100-P0C-001，REV.A，2010

（作者單位：三門核電有限公司）