抗震概念设计及其在核电站抗震设计中的若干应用建议

孙宗光 钱国桢 倪一清

(1.大连海事大学，大连116026;2.原杭州市抗震办公室，杭州310016;3.香港理工大学，香港)

1 抗震概念设计概述

1.1 关于概念设计

以往的结构设计(称为常规设计)是先由建筑或者工艺确定结构布局，后在若干假定的基础上把结构抽象为计算模型简图，再根据作用在结构上的荷载去计算结构内力，然后依据内力去进行截面设计强度校核、结构位移校核等，这是一种抽象的、数值的、局部的、孤立的、定量的设计方法。林同炎在《结构的概念和体系》一书中首次提出了结构概念设计的思想[1]。他认为概念设计是从结构受力合理性的整体概念出发，是直观的、概念的、整体的、系统的定性设计，依据力学基本原理去指导一个工程的设计。它必须参与工程设计全过程、全系统的设计，因此概念设计要从结构布局开始，而不是被动地接受一个既成事实的布局，把结构设计仅仅限于计算与校核[2]。首先要考虑合理的、明确的传力途径，在合理的假定基础上建立符合实际的模型以及整体结构合理的耗能机制，使结构承载力最大化，而破坏时的损失最小化。文献[3]曾简要地谈到核电站工程抗震概念设计的重要性，但是，在现行的《核电站抗震设计规范》中，并未提及抗震概念设计问题，因此在已建成的核电站中，一般都没有系统地考虑有关问题。为此有必要详细地论述一下这个问题，并且提出若干具体建议，供有关人员参考。

1.2 概念设计在抗震设计中的重要意义

由上文可知，常规设计是必须建立在若干假定的基础上，才能取得抽象的计算模型、进一步进行数值计算。对于常规的结构在已知荷载作用下，这种设计方法还是可行的。但是，应用于地震作用下的复杂结构体系的设计，它的可信度就会大大降低。

首先由于地震影响的复杂性和不确定性。地震在时间、空间、量级上的不确定性与不可预测性造成设计无法将作用力精确量化，因此很难保证定量设计的可靠性。因为地震作用不但与地震震级、震源深度、建筑场地地质条件有关，还与结构布局和刚度、质量分布相关，所以要求得准确的地震作用荷载是十分困难的。虽然现在设计采用时程分析方法，可以直接输入场地地震波，但是这是以往的、他处的地震波，不能说明以后的本地的地震波与其一致;其次，目前计算方法存在局限性。如地震三要素(峰值加速度、频谱组成、持续时间)在反应谱法中无法全面反映;时程分析法采取输入的地震波并不能代表真实的地震波，因为一般地震波具有六个自由度，即三个平移分量、三个转动分量，但是到目前为止还没有地震波的转动分量记录，所以无法准确考虑地震对结构的真实的定量影响;第三，具有一个复杂布局、复杂连接的结构，要进行复杂耦联的地震响应分析，不是一个轻而易举的事。因此我们认为对一个复杂结构的抗震设计，必须重视抗震概念设计，而这正是以往设计的不足。

总之，抗震概念设计是不着眼于抽象的计算模型、计算方法、计算数值、计算结果，而是着眼于结构总体地震反应，从地震时的破坏机制、破坏过程出发，去调整结构设计方案的整体布局，使结构具有简捷清晰的传力途径、合理的耗能分配，以达到从根本上减少地震响应，提高结构整体抗震性能，达到结构的地震响应成为可求解和预控的目的。

1.3 核电站的抗震设计必须重视抗震概念设计

以往有关核电站由地震或者操作失误造成严重核扩散灾害的事实，迫使我们对核电站的设计安全问题，必须进一步的慎重思考。但是，从以往的一些核电站抗震设计与规范[4-6]中了解到，它们常常十分重视计算方法的精确性，而对其概念设计问题较少提及，如整体合理布局、明确计算简图、清晰传力路径、加强连接多道设防、平面规则减少扭转、竖向连续避免突变、减轻自重减少响应、强化构造措施、消除薄弱环节、增加构件延性、防止突然破坏、避免整体倒塌等。这些原则不但在新设计时应该考虑，而且在对一些已建的核电站，为了提高抗震性能、减少事故损失而采取的加固改造工程时，也可供决策参考。虽然核电站结构具有特殊性，但是对于所有结构物的抗震问题是存在共性的。

任何工程结构的合理设计，必须具备两个基本条件:一个是符合实际的可求解的计算模型，另一个是正确的可预估的荷载。我们前面已经谈到抗震计算的困难，首先是很难确定准确的可预估的荷载;其次，核电站结构抗震计算的有关结构分析模型与计算假定都存在很多近似性。为便于抗震分析，常常将一个复杂结构分成主结构与次结构，且需要解耦以使计算简化可行。但是，现行的核电站抗震设计规范中规定的解耦准则存在一些问题。特别是在考虑到有时主次结构很难区分，或者主结构与耦联的次结构存在不同阻尼时，或者它们存在多个接地支点时，计算理论的困难不是一个准则可以简单解决的。有的组件工作状态复杂，很难简化为一个简单的计算模型，这时就需要经过实体或者模型试验才能近似确定地震响应。由此可见，对核电站这样复杂而且特别重要的工程结构，常规定量设计所必须的两个基本条件又都无法充分的具备，它的安全问题我们只能首先依靠概念设计。概念设计十分重视结构布局在整体上的传力路径的合理性、可控性和可解性，因此是反过来要求结构布局尽量接近计算模型，以便使模型符合计算假定，只有这样，计算结果才有可信度，而且它从宏观上考虑使结构尽量减少地震响应，把各种结构、部件与区域按重要程度确定安全度，以确保关键部位的安全。这就要求工艺设计与结构抗震设计互动，而不是一切工艺布局全部确定了以后，再来进行结构设计，而是在工艺布局的初始阶段结构抗震设计就要参与，要把结构的抗震合理性，也作为工艺合理的一个必要条件。这样最终确定的方案就可能做到计算结果可信度最高，受地震影响最小，既安全可靠又经济合理。

现在抗震概念设计问题越来越被国内外的业内专家重视[7-10]，而且其理念早已被编入我国建筑抗震规范[11]。这里，我们仅根据以往对一般工业与民用建筑结构的抗震概念设计经验[12-14]，提出以下若干建议供有关专业人员参考。

2 多道设防，强化连接

2.1 宜将新建核电站的主要结构(安全壳)建成地下双层结构

在地震时，核电站的土建结构特别是安全壳结构被震坏是极少见的。而问题存在于安全壳中的核反应堆组件，包括连接核燃料棒、控制棒的构件与设备。安全壳产生的地震响应会激励它们，甚至还会产生放大效应，而造成它们移位和破坏，进一步影响核反应堆的有控运作，因而产生过热，而从内部破坏安全壳。苏联的切尔诺贝利核电站事故的核污染扩大，就是因为反应堆主结构的底部被失控的过热的反应堆所破坏，进一步造成周围土体核污染，而这种后续处理是十分困难的。所以要保证核电站的地震安全，不单单是指安全壳等土建结构的安全，更主要的是安全壳中的核反应堆组件的安全，相比之下它比前者更难。为此提出两方面的建议:①对安全壳进行多道设防;②减少安全壳的地震响应，从根本上减少核反应堆的地震响应。首先建议把新建的核电站的主要设施(安全壳)安置在地下建筑中，并且做成地下双层结构，即将地下承受土和水压力的地下衬砌结构，与核电站主结构(安全壳)分离。这样做有很多好处:其一，既增加了一道保险又便于检查，特别对基底情况的检查，一旦产生事故比较容易加固或者对底部封堆处理，避免产生像切尔诺贝利核电站底部封堆时所付出的高额代价;其二，地面建筑对地震作用都有放大效应，而地下建筑的地震响应较小，可减少所有结构、设备、组件的地震作用;其三，平时不容易受雷击、风暴等灾害影响，一旦发生战争或恐怖事件，不易成为攻击目标;其四，利用地下空间，可节省地价;其五，便于采取减震和结构控制措施，例如可在底部设置隔振垫，在四周与上部设置阻尼器，甚至可在顶部设置被动控制装置，以减少地震响应，如图1所示。

图1 地下双层核安全壳结构示意图Fig.1 Underground double-deck nuclear containment structure diagram

是否会增加造价?这就要具体情况具体分析，如果仅仅把安全壳部分结构放入地下，那么投资的增加是很有限的。现在建设费用的大部分都是花在地价上，而工期又大多消耗在征地阶段。对核电站而言，一般工艺设备造价比土建费用大得多，而且安全投资是一劳永逸的，大一点也应该容许。根据我国目前的地下建筑施工设计能力，在一般土层中要设计建造一个几万平方米规模、十多米深度的地下室，在技术上已经不是一件难事。如果建在岩层中，对单跨30 m左右的地下工程，也有不少建成的先例。因此，这不但是必要的也是可能的。

2.2 宜把核电站建筑、工艺构筑物等静定结构改为超静定结构

建议尽量不要把核电站建筑、工艺构筑物、反应堆内控制棒、燃料棒组件等的结构做成静定结构，如悬臂梁结构、简支梁结构、铰接桁架结构等。原因如下:①这类结构只有一道设防，一旦其中一个连接，或者一个构件截面破坏就会产生整体结构破坏;②这类结构地震耗能很少，因此不会由于它们的破坏而减少其他结构的地震作用;③以往反应堆内的控制棒、燃料棒组件，为了更换方便常常采用悬臂连接方案，一旦大地震时它们很容易发生大位移与局部破坏。这将会对整个核电站产生安全危机。建议有关结构应该做成超静定，有关组件应该做成多点连接，有关工艺与设备组件应该进行抗震设计，方案应该进行抗震审查。

3 明确简图，合理布局

结构计算简图必须符合实际情况，这是正确合理的设计的前提，否则再精确的计算也毫无意义。但是对核电站的结构、设备和管道体系是十分复杂的，很难用一个明确的简图表示，而且有时也很难区分所谓主结构与子结构，这时为了得到明确合理的简图，必须对结构、设备和管道体系的布局进行整体调整，或者进行合理分割。使它们能够抽象为明确合理的计算简图，这与常规静态设计是很不同的。以下将对此提出若干具体建议供参考。

3.1 分割结构体系

核电站设计计算中，主结构与子结构的解耦是困难的。如果应用概念设计方法，不妨从另一个角度出发来考虑这个问题。就是不从模型的细化简化上做文章，而从主结构与子结构的分割上着眼。正如在建筑设计中设置抗震缝一样，如果不能彻底分开就弱化它们之间的连接，把有关连接节点做成柔性连接，或者在连接节点处设置阻尼器，把它们间的影响缩小到计算可以忽略的范围。

3.2 强化主结构，弱化次结构

有时因为工艺的必须，无法将有关结构明确简单分割。这会使主结构与子结构区分变得十分困难，从而造成计算困难。这时，可以采取另一种相反的途径，就是强化某一个主结构，弱化另一个结构，有意拉大它们之间质量比与基频比，使假定的计算简图趋向合理简化。这样能够较清楚的分清主结构与次结构，使计算结果具有较好的可信度。

3.3 弱化连接，避免耦联

工艺设计中难免要遇到，一个大的实体结构与一些管道相连，由于它们之间刚度相差很大，因此在地震时，很容易使管道产生鞭梢效应，特别是在它们的连接处因为应力集中，所以很容易产生破坏。在常规土建工程中常常采用弱化连接节点刚度的办法，如采用可伸缩的折叠式柔性管道接头;或者采用互相垂直的串联U形管道接头(图2)，使受剪控制变为受弯控制，而且弯曲刚度大大减少使动应力峰值相应减少;还有在支座处管道上设置阻尼器，以减少管道响应，类似于在斜拉桥结构中的拉索下部锚固端设置的阻尼器。

图2 柔性管道接头Fig.2 Soft pipe joint

3.4 调整设备布局，减少地震响应

这个建议对设备的抗震也许更会有参考价值。调整设备布局，是将核电站的主要设备，尽可能放在同一块，或者几块混凝土厚板上。这样做有很多好处:首先，可以采用改变基板质量大小与分布，来随意改变整个系统的质量大小和分布，由此来调节整个系统的振动模态，减少响应;其次，可以人为调节系统的形心与重心，减少扭转响应，简化计算模型，使计算结果更具可信度;第三，可使所有设备在地震时同步振动，减少相对位移，不易使连接管道产生过大的相对位移而破坏;第四，便于考虑整个系统的结构控制问题，设置隔振垫和阻尼器，以减少总体地震响应。如果所有设备都集中到一块板有困难，可以一组设备，甚至一个大型设备设置一个重型底板，但是所有管道与它应该采用柔性连接。这种做法在常规建筑和设备基础设计中是较多采用的。

4 应用结构控制技术

对未来的地震我们虽然还无法准确预测和量化计算，但是如何减少地震作用的影响是可以人为控制的，这就是采用结构控制技术。当前对地震的主动控制技术还处于研究试验阶段，但是地震的被动控制技术的应用已经比较成熟，比如隔振技术、阻尼减震技术和质量调谐减震技术(TMD)等。具体应用可在地下衬砌与安全壳间设置隔振垫，在两层侧壁间设置阻尼器，在管道的连接点设置阻尼器，在主要设备基础垫板下设置隔振垫，或者在安全壳上设置被动控制质量块(采用TMD技术)等(图1(b))。这些技术都是可供选择的。从当前我国核电站抗震基本理论、应用设计与设计规范还有待完善的情况看，采用直接减少地震响应的控制技术，无疑是一个很好的选择。其实早在20世纪80年代，法国及南非已经将隔振垫技术应用于核电站建设中，当时采用的是摩擦板串联叠层橡胶隔震垫[13]，该文献指出摩擦滑移隔振系统有一个问题，就是在简谐激励下会产生次谐波，导致有时会产生比不隔振的响应还大，而且隔振对竖向振动激励无能为力。但是现在工程中常用的叠层橡胶隔振垫，并不串联摩擦滑移层，它具有可以由设计确定的刚度与阻尼，因此不会产生次谐波问题，而且竖向振动问题可以采用阻尼器解决。在这样的前提下，我国建筑隔振技术发展较快，叠层橡胶隔振垫寿命一般可到50年左右，技术上是成熟的，隔振垫在使用阶段还可以置换。采用隔振垫后地震响应峰值可以减少一半左右。由试验数据可知，改性沥青阻尼隔振垫具有特大的阻尼比，因为它破坏是由剪切强度慢慢丧失，而变成一个滑移层的渐变过程，所以对防大震的效果更好[14]。采用现代的隔振技术，理论上可以减少一半左右的水平地震响应，但是对震源附近的竖向振动的效果不好，这就需要在侧壁采用阻尼器来减少竖向地震响应。这样对核电站设施来说，大地震对它的影响将能够减少到可以容许的水平。这种技术在土建结构中应用已经比较成熟，建议核电站设计时可以作为一种安全储备。对已经建成的核电站结构与设施的抗震加固，建议也可采用施加阻尼器方法，当然还可以考虑采用其他结构控制的办法。

5 应用振动损伤判别检测技术

在《核电厂抗震设计规范》(GB 50267—97)[1]第10章中规定，为了检测地震峰值加速度和地震报警，在不同部位布置若干三向加速度计是完全必要的。但是这只能起到检测地震峰值加速度和地震报警作用，不能对结构、设备与部件的应力水平、变形位移和地震损伤情况进行判断。因此建议对核电站的结构、设备、管道、内部组件上设置各种传感器，平时可监控它们的运行状态以明确它们是否在正常工作。地震时也可测试各种响应，并且可以从其振动模态的变化，推测它们的破坏程度。这种检测技术的投入实际上比仅仅设置加速度计不会增加多少，但是其作用却大不相同了。这种测试可以遥控进行，因此，十分适合对核电站进行损伤检测与判别，相关技术在桥梁、电视塔等结构中已经大量应用[15]。

6 结语

人类的任何工业发展活动对环境都会有影响，不过有的方面我们暂时还没有感到，或者还没有积累到不可容许的地步。核电站相对火电站来说还是一种更清洁的能源，只要保证了它的安全性、可靠性，那么它不但比火电站运行成本低得多(其燃料运输量只有火电站的数千分之一)，而且泄露的放射性物质也不会高于火电站(因为在不少燃煤中也存在放射性物质)，当然设计都应保证在容许范围之内。因此关键是如何保证它的安全性与可靠性。从第一代到第三代反应堆，核电技术在不断进步。现在第四代高温气冷石墨球床反应堆，虽然在工艺本身的安全方面已经到了比较成熟的地步，但是它在结构、工艺、设备和组件方面考虑地震作用的影响的程度尚不完全明确，还存在很多可探索之处。

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