局部隔振技术在核电工程中的运用

2014-07-17付爱群汤丽芳丁志新

山西建筑 2014年14期

付爱群汤丽芳丁志新

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518172)

1 隔振(震)原理

传统抗震通过加大结构构件截面和提高材料性能来达到增加结构整体刚度的目的，降低地震对结构的破坏。然而，结构自身刚度增加的同时往往伴随质量的增大，使得结构自身对地震作用下的振动响应亦随之放大，进而需要更强的刚度来抵御。所以，这种传统“消极被动”抗震措施虽然有效，却存在材料上的浪费，且当遭受超过设计基准地震作用时，耗能构件为受力构件，震后不利于修复和替换。现代结构引进隔震、消能减震技术。隔震技术是采用一种特殊的措施来隔离地面或楼面振动对上部结构及设备、设施的影响，将振动的能量部分由隔震支座和消能装置所吸收，从而使上部结构及设备、设施免受振动的影响，或减少影响，以保证上部结构或其上重要设备及仪表的正常运行。这是“积极主动”的抗震对策。采用单自由度弹性体系的地震反应谱来简要说明隔震原理。图1，图2为上部结构的加速度反应谱和位移反应谱。一般钢筋混凝土建筑物刚性大，周期短，在地震作用下，加速度反应大，位移反应小，即为图中的A点。延长建筑物周期，阻尼保持不变，则加速度反应降低，位移反应增加，即为图中B点。在延长建筑物周期的同时，加大结构的阻尼，则加速度反应减小，位移反应得以抑制，即为图中C点。由此可见，适当延长结构的周期，并给予恰当的阻尼可有效降低结构反应。隔振(震)技术就是实现二者的有机结合。建筑隔震结构包括上部结构、隔振(震)装置和下部结构三部分。依据隔振装置所设置的部位，隔振技术在核电工程中的应用分为基底隔震、楼层隔振及设备隔振。其中楼层隔振和设备隔振又统称为局部隔振。

图1 加速度反应谱

图2 位移反应谱

2 核电工程隔振特点

核电工程面临的环境要比其他民用工程更复杂，不仅受到环境因素严格制约，更担心造成潜在放射性污染环境的风险。核电厂内部结构和设施及其相互之间的联系和制约要比一般工程更为复杂和脆弱。核电工程要求的安全性和可靠性远远高于其他工程。隔振技术中，基底隔震是最基本的形式，也是在工程中应用最多的隔震形式。基底隔震是在建筑物基础和上部结构之间设置隔震装置并形成隔震层，使基础与上部结构隔开，阻隔或减少地震能量向上部结构传递。核电厂选址要求严格，目前我国核电厂主要分布在地震设防烈度小且水源充足的东南沿海一带，已有的标准化设计能抵抗设计地震的作用，无采取基底隔震技术的必要。因此，目前国内核电工程尤其核岛项目基底隔震技术停留在科研阶段，在国内核电站中运用较多的是楼层隔振和设备隔振。

3 楼层隔振在核电厂中的运用

楼层隔振一般是在建筑物上部某层将竖向构件顶部全部或部分断开，在竖向构件顶端与上部楼板之间设置隔振支座。楼层隔振结构是一种新的建筑隔震形式，楼层隔振与基底隔震原理相同，可以减少地面运动向上传递，且上部结构通过楼层隔振装置可以减小对下部结构的振动影响。与基底隔震方案相比，楼层隔振具有如下优点:1)楼层隔振建筑不需要特意为隔振层在地震时发生的较大位移预留空间，也不必设置与预留空间相对应的构造措施。2)降低结构土建造价。基底隔振层顶部需增设梁板式楼盖，楼层隔振则不需要。因隔振层上方的结构为整体结构的一部分，可减小建筑隔振支座数量或尺寸，具有显著的经济效益。3)楼层隔振可以提高结构抗倾覆能力。建筑隔振支座抗拉性能较差，相对基底隔震方案而言，由于楼层隔振结构中隔振层位置相对较高，结构的抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值更大，提高了结构的抗倾覆能力。4)施工方便。穿越隔振层的软管等设施设置在地面以上，便于施工、维修和更换。核电厂核岛结构整体性强，很少考虑楼层隔振。但是根据楼层隔振的思路，可将某重要房间进行隔振。如某核电厂主控室采用局部楼层隔振(震)方案:将主控室的功能设计在一个13.2 m×16.8 m，高4.82 m的钢框架内，并将该钢框架支撑在18个弹簧支座上面，在钢框架的底板、顶板及四周侧墙均用6 mm的钢板屏蔽消音，且加设消音板。在钢框架底板，布置100 mm厚岩棉板;在钢框架的侧墙及顶板周围，布置120 mm厚玻璃棉板。这种创新的“房中房”方案，使得主控室有个良好的独立的工作环境。经过计算分析，在地震作用下，结构整体呈现出平动的特性。水平向地震作用下绝对加速度降低60%左右，水平向地基反力降低70%以上，楼层反应谱峰值加速度降低60%左右，零周期加速度降低38%，水平隔振效果非常明显。竖向地震作用下地基反力降低30%以上，楼层反应谱降低20%左右。地震作用下平稳的主控室环境，可降低操作人员在地震期间操作失误的概率，实现安全停堆。该局部楼层隔振方案的采用，相比整个核岛隔振，有效的控制造价，同时也保证了重点功能区域的正常使用。

4 设备隔振在核电厂中的运用

设备隔振是在设备与设备基础或楼板之间安装隔振装置。地震发生时，设备基础或楼板产生振动，再通过隔振装置的消能，只有部分地震能量传到上部设备上。地震变形主要发生在隔震装置上，使得传向设备的振动动能和地震变形控制在可承受范围内，保护设备不因强震而破坏。此外，设备隔震装置也可以阻止或减轻上部设备的振动对支承楼板的影响。核电工程中布满了电气、仪控、暖通、给排水等专业的设备、管道及阀门，其中有一些对振动十分敏感，通过本身结构的设计无法满足设计要求。法国、南非、日本等国在核电厂的管道系统、泵、阀门等很多主要设备上采用了隔振技术，安装了各种形式的隔振装置。斯洛伐克Bohunice的蒸汽发生器采用了弹簧隔振方案。我国在建运行核电机组选址分布在东南沿海一带地震设防烈度小的区域，核岛及常规岛厂房均未采用基底隔振技术。在地震作用下，结构能满足抗震的要求，但是对于一些无法满足振动要求的设备，采用设备隔振技术，确保关键设备地震作用下的正常使用。如常规岛的汽轮发电机组、应急柴油发电机及给水泵等。某核电厂二期汽轮机采用弹簧隔振支座方案，汽机基础顶板长度55.94 m，汽轮机位置宽度为17 m，发电机位置宽度为13 m。台面标高为16.17 m，顶板厚度为3.8 m～4.0 m，底板厚度为3.9 m，总计74个弹簧 +阻尼单元分布在12根柱顶上。隔振前系统(机器及基础台板)的固有频率为20 Hz～25 Hz，隔振后系统(机器、支座及基础台板)的固有频率减小到3 Hz～3.5 Hz，使得系统的固有频率远离了机器的工作频率(25 Hz～30 Hz)，避免了共振的发生。使用弹簧支座后，基础的动力放大系数为0.016，远小于1，表明减振效果非常好。同时弹簧基础的侧向刚度低，阻尼器具有良好的耗能作用，可以降低台板的地震响应(包括位移和加速度)，地震作用减少，机组运行时，机组转子受到外来冲击的受迫振动大幅减少。设备隔振技术主要是在一些通过设备自身设计无法满足振动要求的关键设备上采用。相比整个核岛隔振，局部点域的设备隔振，有效的控制了造价，同时也保证了重点设备的正常使用，降低了设备对设备基础或楼板的作用。