核电站龙门架结构设计

2011-08-20郭俊营李家宝许海涛

山西建筑 2011年35期

郭俊营李家宝许海涛

0 引言

国家核安全局发布的《第二代改进型核电项目核安全审评原则》要求，第二代改进型核电项目设计和建造的标准原则上应采用法国RCC系列标准，并适当考虑设计自主化、设备本地化引起的标准适应性替代问题。关于RCC-G的补充要求:对于保持原有设计的子项，应以适用的新标准(如EJ/T系列)对典型厂房开展对比核算工作。

因此，采用EJ/T 1062-1998压水堆核电厂核安全有关的钢结构设计规范及GB 50017-2003钢结构设计规范，对某核电站龙门架开展了整体分析及对比核算设计。

同时，对该核电站施工中反馈的设计问题进行了分析及总结。

1 龙门架相关资料

龙门架的主要功能是将大型设备从±0.000 m地面提升到+20.000 m平台，以便从安全壳设备闸门转运到反应堆厂房。

龙门架的工作状态分为施工阶段和正常运行阶段。在反应堆的施工阶段，龙门架应能保证3 800 kN起重机的正常使用。施工完成后，3 800 kN起重机、导轨、桁架梁等被拆除，只留下700 kN的辅助起重机用来进行正常运行阶段的设备吊装。

任何情况下，3 800 kN起重机和700 kN起重机不允许同时运行。

根据《起重机设计规范》划分工作级别的要求，考虑起重机的使用等级和荷载状态级别，700 kN和3 800 kN吊车属于轻级工作制吊车。

2 场地相关资料

对应零周期的场地基岩极限安全水平地震动参数SL-2(SSE)取值为0.20g。竖直方向采用水平方向的2/3。

最低日平均室外计算温度为27.1℃。

厂区地坪10 m高度的10 min年平均最大风速48.2 m/s，3 s阵风 77.1 m/s。

3 构筑物分级及结构布置

龙门架设计使用年限为45年(包括5年建造期)。其混凝土基础及主钢结构为非安全级(NC)、非核抗震类(NC*)、非规范级(NA)、质保1级的钢结构框架。

龙门架主要由4根箱形柱和钢(桁架)梁组成的空间框架结构(为主钢结构)，其结构平面布置见图1，结构竖向布置参见图2。龙门架基础采用混凝土联合基础，A，B两列钢柱分别坐落在－4.000 m及－9.000 m的中风化基岩上。

龙门架钢框架材质主要采用S355-J0(与Q345C等效)。

4 结构整体计算及复核分析

采用SAP2000有限元分析软件中的框架单元模拟龙门架。正常运行阶段考虑地震作用，采用振型分解反应谱法，设计反应谱采用RG1.60谱。通过加载计算，得出龙门架钢结构主体框架构件内力，并对内力较大的主要承重构件进行手算设计复核。

4.1 荷载组合

龙门架计算分施工阶段和正常运行阶段，荷载组合遵循《龙门架厂房设计准则》，考虑了正常运行及极端环境作用，其中施工阶段7种(含3 800 kN吊车运行)、正常运行阶段9种荷载组合(含700 kN吊车运行及地震作用)。

4.2 整体分析结果

施工阶段部分包络内力图见图2。

4.3 主要承重构件设计复核

1)施工阶段验算杆件包络内力及验算结果见表1。

表1 施工阶段验算杆件内力及验算结果

2)正常使用阶段验算杆件包络内力及验算结果见表2。

4.4 变形验算

变形验算不考虑地震及龙卷风荷载，杆件内力及验算结果见表3。

表2 正常运行阶段验算杆件内力及验算结果(一)

表3 正常运行阶段验算杆件内力及验算结果(二) mm

5 现场问题反馈及分析

1)地基处理问题:A列柱下的基础为7 m×16 m的联合基础，板厚700 mm，底标高－4.00 m。原设计基础应位于中风化基岩上。实际基底为粘性土，中风化岩层约在－10.00 m。现场向下开挖至基岩(有坡度，开挖深度至－17 m)，最后回填素混凝土进行处理。根据龙门架的安全与抗震类别分级，为非安全级(NC)和非核抗震类(NC*，即其抗震能力要进行验证，以使其在SSE情况下不对抗震Ⅰ类厂房构成损害)。其设计要求同常规设计基本一致。因此，可以采用灵活、经济的地基处理及基础设计，如可采用联合桩基设计等。

2)钢材国产化:龙门架系核岛厂房中最主要的钢结构构件，设计时沿用了参考电站的法标及欧标材料，不利于材料采购以及钢材的加工制作，并对后期的材料验收和焊接工艺评定带来影响。通过对欧标钢材与国产钢材在材质、屈服强度、冲击韧性、化学组成等方面进行适应性分析，笔者认为可采取国标钢材替代，且替代后有利于钢材的采购、验收、评定及加工制作。

3)寒冷地区材料选取问题:龙门架主材用S355-J0(替代国标材料Q345C)。常年处于室外环境中，需论证钢材在寒冷地区低温环境的抗低温冲击要求。根据《起重机设计规范》划分工作级别的要求，考虑起重机的使用等级和荷载状态级别，本吊车属于轻级工作制吊车。按照《钢结构设计规范》，对轻级工作制吊车的冲击韧性无具体要求。后续低温地区核电站设计时，可完成S355-J0材料及其匹配的焊接材料和焊接热影响区的脆性温度转变曲线试验，作进一步分析。

4)积水与防锈问题:龙门架长期处于室外环境，其连接节点位置易积水，导致钢结构的腐蚀，设计采取的措施为:在容易集水的节点部位通过连接钢板的倒角进行排水。如遇封闭节点采取开雨水孔的方式处理，用防腐胶泥填满空腔处，使水不易集聚。