核电厂厂房基础隔震设计研究的构想

文 静，司国建，孙造占，李海龙

(1环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082; 2中国原子能科学研究院，北京 102413)

核电厂厂房基础隔震设计研究的构想

文 静1，司国建1，孙造占1，李海龙2

(1环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082;2中国原子能科学研究院，北京 102413)

简要介绍了国内外在核电厂厂房基础隔震设计的研究与应用方面的现状，论述了在我国进行核电厂厂房基础隔震设计研究的必要性和重要意义。在此基础上，提出了在国内进行核电厂厂房基础隔震设计研究的基本构想。

核电厂;厂房;基础隔震

1 引言

基于中国未来发展对于能源的需求，国务院于2007年10月批准的《核电中长期发展规划 (2005～2020年)》确定了我国当前和未来核电大发展的方向，胡锦涛总书记对此提出了核工业要“又好又快又安全地发展”的要求。由于核工业的特殊性，安全性更是核电厂的生命线。我国属于多地震国家，基本烈度大于7度的面积约占国土的1/3，大于等于6度的面积达国土的60%。在地震下的安全性是贯穿核电厂选址、设计、运行至退役过程要考虑的关键问题之一。

减小地震危害一般采取的措施有4种:一是避震，即核电厂选址时尽量避开地震区或高地震区;二是控震，即采用摩擦摆、调谐质量阻尼器等设施或方法来控制建筑结构或设施的地震响应;三是抗震，即采用提高设备或仪表的刚度和结构强度的方法来增强其抵抗地震的能力，“以刚克刚”;四是隔震，即通过在建筑物的底部设置一切向刚度很小的隔震层，延长结构的自振周期，增加结构的阻尼，有效地减少结构的地震加速度反应，使地震引起的位移反应得到明显抑制，结构基本上处于弹性工作状况，从而使建筑物不产生破坏或倒塌，“以柔克刚”。

在我国核电大发展的今天，完全避开地震区或高地震区非常困难。控震技术目前在我国甚至国际上还处于起步尝试阶段，技术尚很不成熟，而且更适于小型建筑或设施。传统意义上提高设备或结构的强度的抗震设计在核电厂设计中已经非常成熟。在对国内外隔震设计研究与应用了解的基础上，本文尝试提出在我国进行核电厂厂房基础隔震设计的构想。

2 国外核电厂隔震设计与应用现状

基础隔震技术首先由美国、英国、日本法国、德国等发起，主要应用在一些重要建筑或设备的设计上，这些建筑或设备或是要求在地震时或地震后保持正常运转或者安全状态或是其经济利益非常重大，如首脑机关、生命线工程、灾害指挥中心、金融通讯中心、医院桥梁、核电厂、古建筑等，其后随着技术的发展成熟，逐渐更多地被应用到普通民用建筑上隔震技术在核电厂的应用可以分为全楼 (基础)隔震、楼层隔震、设备隔震3种。基础隔震技术在核电厂的应用主要集中在反应堆厂房燃料厂房、电气及维护建筑、反应堆辅助建筑以降低厂房内部设备和管道的地震反应，保障其抗震安全。厂房基础隔震的示意图见图1。

美国在大量的相关试验和部分应用后，把隔震设计技术列入了《统一建筑规范1982》(Uniform Building Code)，在1997年又进行了升版。美国称为PRISM和SAFR的两座液态金属反应堆采用了隔震设计。在隔震设计过程中，完成了不同种类不同特性的隔震垫的设计、生产和大量试验。该隔震设计由美国地震工程研究中心 (EERC)完成。PRISM仅对反应堆容器进行水平隔震设计防护，设计中采用了20个高阻尼合成橡胶支座。而SAFR在水平和竖向均采用了柔性支承来提供水平和竖向隔震，整个SAFR建筑采用了100个隔震器。

图1 基础隔震示意图

法国首先在核电厂建设中采用了基础隔震技术，于1977年将基础隔震设计技术应用于南非Koeberg核电厂 (2×900MW)，于1984年应用于法国Cruas核电厂 (4×900MW)，这两座反应堆均为压水堆。其中Koeberg核电厂采用的是叠层橡胶支座加滑动摩擦板，这个隔震体系把核电厂有关结构物建于双层筏基础上，在下筏上装有叠层橡胶，在上、下筏之间安装两块滑板，这是一种典型的由叠层橡胶和滑动隔震组成的复合隔震体系。Cruas核电厂采用的是叠层橡胶支座，它们均由法国设计建造。当时法国核电厂设计遵循标准核电厂系统(Structural Nuclear Unit Power Plant System，SNUPPS)，该系统要求核电厂厂址基岩的地震加速度不得超过0.2g，而所选的厂址区基岩加速度水平高于这一要求值。为此，设计者采用了厂房基础隔震技术，使得标准化设计在高震区仍能适用。

英国先后在1983年和1988年建成了Heysham核电厂 (2×575MW)和Torness核电厂(2×700MW)，这两座反应堆均属先进气冷堆(Advanced Gas-cooled Reactor)，在其中也采用了厂房基础隔震技术。

日本是世界上地震最多的国家之一，其科研工作者对抗震与隔震设计研究最多。隔震技术首先被应用在民用建筑上，日本于1986年完成了第一座大型的基础隔震建筑。至2009年在日本采用基础隔震技术民用建筑和设备数量居世界首位，有5000多幢。日本建筑学会于1989年推出了《免震结构设计指针》，作为隔震技术在民用建筑设计上应用的指导性规范。日本的隔震设计在建筑及土木工程等领域内的应用已取得了积极的进展，尤其在1995年的阪神大地震中，因其有效性而受到关注。在民用建筑上使用的成功更加推动了隔震技术在核电厂的应用。日本有关专家于1987年至1993年期间在通产省支持下开展了“快堆隔震系统验证实验”，包括各种隔震器的破坏实验和3层框架模型 (重20t)振动台试验。实验表明:隔震效果明显，且由动力测定的隔震系统动力特性与元件拟动力实验结果符合良好。其后经过长达近15年的科学研究和相关部门协作，日本电气协会原子能委员会编写了适用于核电厂隔震设计的规范《原子力发电所免震构造设计技术指针 JEAG4614-2000》，其中给出了适用范围、基本方针、重要度分类、隔震装置设计、分析评价方法、隔震装置的维护，并给出了隔震设计的参考实例。日本最新研究设计的钠冷快堆JSFR(1600MWe)属第四代核能系统国际论坛 (GIF)提出的6种第四代堆型之一，其中就采用了基础隔震技术，给经济性和安全性提供了有力的支持和保障。伴随着隔震设计的技术发展，隔震器也得到了长足的发展。早先，更多使用带机械阻尼器天然橡胶支座或铅橡胶支座。最近更多地使用高阻尼天然橡胶隔震器。日本与德国最近研制出了使用寿命长达50～70年的隔震器。甘肃长实隔震器材有限公司甚至宣称其隔震器的寿命能达到80年。

韩国所设计的第四代堆型KALIMER(600 MW，Korea Advanced Liquid Metal Reactor)也采用了基础隔震设计技术。

3 国内核电厂隔震设计现状

隔震技术目前主要在民用建筑中研究和应用。

隔震设计在我国民用建筑中已经非常广泛，现有600多幢，数量仅次于日本，使用的省市有20多个，主要分布在西南、西北、华北等高烈度地震区。在铁路、公路桥梁和石油化工设备大型储油罐也有大量应用。

北京地铁地面枢纽工程中采用了基础隔震，在一个2000m×1500m的大隔震平台上建造了48幢9层的隔震住宅楼，隔震建筑面积480000m2，是目前世界面积最大隔震建筑群。由于采用了隔震设计，地震反应降为原来的2/3，隔震设计使住宅面积增加近10万 m (房屋从6层增加到9层)，增创直接产值2.亿元。钓鱼台国宾馆南面的“七部委联合办公大楼”采用了隔震技术。该建筑的减震隔震设计在广州大学周福霖院士指导下，由中国国家地震局抗震设计研究所完成。汶川大地震时甘肃省陇南地区武都县的地震烈度达到度，该县采用了橡胶隔震支座的3幢6层砖混结构楼房却完好无损，效果显著，这也说明了隔震技术在民用建筑上的成功。

伴随着隔震技术在我国民用建筑中的应用有关部门也制定了相关的标准和规范。《建筑抗震设计规范GB50011-2001》中明确了橡胶支座“隔震与消能减震设计”技术，标志着隔震消能减震技术在我国正式进入使用阶段。与之配套，由中国工程建设标准化协会制定了《叠层橡胶支座隔震技术规程CECS126－2001》。该规程适用于抗震设防烈度为6～9度地区房屋和桥梁结构的隔震设计与施工。对于抗震设防烈度大于9度的地区，亦可参照本规程执行。该规程主要内容包括隔震结构基本要求、房屋与桥梁结构隔震设计、隔震层部件的技术系能和构造要求、隔震结构的施工和维护等。2000年月住房和城乡建设部发布了适用于工业和民用建筑的行业标准《建筑隔震橡胶支座 JG118 2000》，该标准规定了建筑隔震橡胶支座的产品定义、分类要求、试验方法、检验规则、标志包装、运输和贮存。

国务院颁布的《国家防震减灾规划(2006～2020年)》中更是明确提出了“推进隔震等新技术在工程设计中的应用”，《地震科学技术发展规划 (2006～2020年)》中也提出了“研发特殊场地结构隔振减震等抗震新技术”，这些都给隔震技术的发展提供了政策支持。

目前我国核工业界对隔震技术研究相对较少。中国核动力研究设计院对国内某核电厂的基础隔震进行了相关理论研究，并采用了国内生产的隔震橡胶的相关性能参数进行了模拟分析，取得了一定理论成果。哈尔滨工程大学完成了《某核电站安全壳的隔震地震反应分析》。该论文基于设备隔震原理，用有限元软件建立了橡胶隔震支座的仿真模型，并对隔震后的安全壳进行时程地震反应分析，检验了隔震效果，表明橡胶隔震技术可以有效地减小安全壳加速度、剪力等地震反应，但侧位移响应相对传统抗震设计的要大。这些理论和试验方面的研究为隔震技术在我国核电厂中的应用奠定了一定基础。

4 核电厂厂房基础整体隔震的意义

4.1 保证厂房结构与内部设施的安全性

采用基础隔震技术能有效地保证核电厂在发生强震时结构本身免遭破坏，保持较高的安全性，保证其内部各种设施的完好，使设备运行正常，并能做到在地震时人在建筑物中的正常生产和活动基本不中断，从而大大降低操作人员在地震期间操作失误的概率，以实现安全停堆，避免了由操作失误引起的安全事故。同时，由于隔震技术使得上部结构和内部设备的地震反应显著降低，使其变形一般只发生在弹性区，在设计中降低了分析计算的复杂性。

GIF所提出的6种第四代堆堆型包括气冷快堆(GFR)、铅冷快堆(LFR)、熔盐堆(MSR)、钠冷快堆(SFR)、超临界水堆(SCWR)和超高温堆 (VHTR)。这些堆型相对于已经比较成熟的压水堆来说温度均要高，快堆由于其作为核燃料封闭循环的重要一环将在世界各国核能发展中占有非常重要的地位。传统的抗震设计一般较难同时满足抗震和热应力要求。抗震设计一般需要加大厂房或设备的强度与刚度 (一般增加结构或设备的厚度)，而厚度的增加一般会导致温度的不均匀和更高的热应力。因此，隔震技术对于高温薄壁容器的快中子增殖堆和高温堆的意义更为明显。各核工业国正大力发展快堆技术，而快堆的抗震安全比之压水堆更为严峻，对隔震技术的需要更为迫切。事实上，目前国际上已经完成的核电厂基础隔震设计较多地针对快堆或高温堆。

4.2 支持核电厂的标准化和模块化

由于采用了厂房基础隔震技术，我们可以将核电厂厂房及厂房内部结构和设施实现标准化和模块化设计。对于不同厂址的核电厂，或者其他某些原因导致地震设计准则的改变，设计者仅需更新基础的隔震设计，即可获得满足要求的设计新方案。

4.3 提高核电厂厂址的适应性

核电厂对厂址的要求非常高。我国属于地震多发国家，地震带分布也较广，这给我国核电厂建设选址带来了一定的困难。目前我国核电厂主要分布在东南沿海一带地震设防烈度小且水源充足的区域。部分区域电力供应难以满足当地经济发展的能源需求。如果采用隔震技术，可使基础上部结构的加速度响应大大降低(约为采用传统抗震方法的1/10～1/3)，使得在高烈度区建造核电厂成为可能，为核电厂厂址提供更多的选择，也必将推动我国各区域的经济均衡发展。

另外，从我国核电技术的出口看，如果拟建厂址处于地震区甚至高烈度区，发展核电厂隔震技术，将大大增强我国核电技术的竞争力，使我国尽快跻身国际先进行列。

4.4 降低核电厂的总体成本

国内对基础隔震技术在民用建筑方面的研究已经表明:在同等设防烈度下，基础隔震技术的合理应用可以使被隔震建筑的工程造价与同条件只采用抗震设防的建筑工程造价成本适当降低 (约5%)，如果把建筑物本身震后的维修、内部设施、仪器仪表的地震灾害损失及建筑物功能中断等带来的损失考虑进去，那么隔震建筑的经济效益及社会效益更是无法衡量。

相比于民用建筑，隔震设计在核电厂中的应用将会带来更为可观的经济效益。由于隔震设计可使得核电厂设计标准化和模块化，大大缩减了设备与管道支撑的抗震设计和验证的时间，简化设备与管道的安装布置，这样将大大缩短设计和建设周期，节省核电厂的设计与建造成本。

日本18个大公司6年计划联合研究(1985～1990年)表明:基底隔震用于轻水堆核电厂效果显著，与常规抗震设计方案对比，混凝土、钢筋用量各节约27%和23%，而对于置于厂房内部的仪器设备的造价降低则更明显。当然，隔震器的设计、建造、保养、检修和维护和更换也必将增加一部分核电厂日常费用。目前的研究显示，约增加整个经费的5%左右。但随着长寿命 (50～70年)的隔震器的研制成功，隔震技术必将给核电厂带来巨大的经济效益。

5 在我国进行核电厂基础隔震设计研究的构想

为推动厂房基础隔震技术在我国核电厂设计中的应用，提出以下构想，希望能在近5年的时间内完成:

(1)首先开展民用建筑隔震器和隔震设计方法对核电厂厂房基础隔震的适用性研究。研究民用建筑基础隔震设计规范，研究民用建筑常用隔震器的优缺点及其主要的特性参数，比较民用建筑与核工业建筑的主要差别，完成相关对比分析。

(2)以国内某核电厂厂房为例，进行假想的基础隔震设计。考虑到国内外研究与应用现状，考虑到相关参数的获得的可能性，可以优先考虑快堆 (如中国实验快堆CEFR)或高温堆 (清华大学HTGR-10)。选取该反应堆主厂房为研究对象，通过有限元数值分析得到其频率特性，并以自由场地震输入作为输入，分析计算得到厂房各楼层的地震时程响应和各楼层的动力放大系数。在此基础上，完成厂房楼层某重要设备 (如堆容器)的抗震分析，并将这些结果与不采用隔震时的动力特性进行比较，并结合已有的试验结果和计算结果进行验证，初步掌握隔震设计和分析方法，完成对该反应堆厂房的基础隔震设计。

(3)开展隔震试验，验证核电厂厂房基础隔震设计方案。按照隔震设计方案，制作缩比例模型，在抗震试验台上完成相关的试验验证，必要时对原设计方案进行修改，以获得更合理的设计方案，并重新验证。

(4)参考JEAG4614-2000规范，结合中国目前的工业水平和经济发展水平，结合基础隔震在民用建筑中的实际应用，在核电厂基础隔震研究与设计的基础上，编写出一套与我国国情相匹配的核电厂隔震设计规范，并逐步在核电建设中推广应用。

6 结论

本文对隔震设计技术在国内外核电厂中的研究与应用状况进行了简要介绍，论述了隔震技术在核电厂特别是快堆与高温堆中应用的重要意义。在此基础上，提出了在我国实行核电厂房基础隔震设计的构想。

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Proposa l on Research and Design of Base Seism ic Iso lation for Nuclear Power Plant Buildings in China

WEN Jing1，SIGuojian1，SUN Zaozhan1，LIHailong2
(1Nuc lear and Radiation Safety Centre，MEP，Beijing 100082，China;2China Institute of Atom ic Energy，Beijing 102413，China)

The historical and current situation of research and application of seismic base isolation for the NPP buildings is described in brief.It shows that it is important and necessary for Chinese nuclear engineers to study on the seismic base isolation for NPP buildings.The proposal is given to research and design of base isolation system for nuclear power plant buildings in China.

NPP;building;seismic base isolation