汽机厂房第一跨结构设计浅析

陶静

【摘 要】汽机厂房第一跨紧邻核岛辅助、附属厂房，内部设有电站纵深防御系统，其结构的稳定性直接影响到核岛安全级构筑物的安全及纵深防御系统的可用性。本文介绍了汽机房第一跨结构设计过程中，第一跨结构设计选型，结构设计计算分析方法，结构设计中对主蒸汽和主给水管道破管荷载的考虑，以及结构抗震、抗龙卷风的稳定性和变形复核验算过程及结论，对后续国内AP1000机组汽机厂房第一跨结构设计提出了建议。

【关键词】汽机厂房第一跨;破管;抗震;抗龙卷风

1.概述

AP1000核电机组的电站总平面及设备综合布置有其特殊性，紧邻核岛的汽机厂房第一跨布置有电站纵深防御系统。第一跨结构的稳定性直接影响到核岛安全级构筑物的安全性及纵深防御系统的可用性。

本文介绍三门核电项目1、2号机组汽机厂房第一跨布置方案、结构选型、结构设计计算分析方法、主管道破管对结构设计的影响、结构抗震与抗龙卷风荷载验算情况，从第一跨的结构设计方面提出一些建议，供后续AP1000机组汽机厂房第一跨设计借鉴。

2.第一跨结构设计

2.1第一跨结构选型及其原因分析

与第一跨结构紧邻的核岛辅助厂房为抗震I类结构，其内布置有安全相关系统和设备，地震或其他外部事件不得对核岛辅助厂房的安全功能和结构完整性构成威胁以致影响到电站的安全。

根据上述要求，第一跨结构设计选型需考虑以下因素：

a）第一跨结构需保证在极限外部荷载作用的下，第一跨结构不倒且其结构弹塑性变形与核岛弹塑性变形之和不得超过第一跨墙体与11号墙间的间距（300mm）。

b）第一跨结构需保证主蒸汽和主给水管道断裂甩击及喷射流对11号墙不产生影响。

据此，在施工设计阶段通过分析和评估将第一跨结构确定为钢筋混凝土框架剪力墙结构，底板与汽轮机厂房底板相连，上部结构与汽轮机廠房主体结构脱开（地下部分分开100mm，地上部分分开250mm）。

2.2第一跨结构设计模型

如图3.1所示，第一跨采用全钢筋混凝土框架剪力墙结构，纵向自T.0至1/T.0轴，柱距6.782m，横向自T.A轴至T.F轴同汽机厂房，长为39.8m。共计5层，地下一层，地上四层，楼面标高分别为-7.500m，0.000m，5.339m，10.749m，16.244m，屋面标高22.970m。汽机厂房第一跨基础型式采用筏板基础，与汽机房基础底板连成一体，以增强基础的抗倾覆、抗滑移能力。

2.3第一跨结构计算方法

根据第一跨结构形式和布置特点，选用SATWE计算软件进行第一跨结构设计。采用空间杆单元模拟梁、柱杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙。对第一跨进行内力分析时，施加的恒载包括结构构件自重，填充墙体自重，施加的楼、屋面活载包括设备荷载，管道荷载，电缆桥架荷载及检修荷载，叠加计算风荷载和地震作用。

2.4破管荷载对第一跨结构影响分析

2.4.1破管荷载分析

从工程设计保守角度，第一跨结构设计中甩管荷载按主蒸汽和主给水管道同时发生一点破管作用来考虑。根据主蒸汽和主给水管道破管分析结果，主蒸汽和主给水管道破裂后的甩击及喷射作用大部分可通过第一跨钢筋混凝土剪力墙进行限位，不需要在T.0、T.1轴墙体和汽机主厂房间设置其他防甩装置，第一跨钢筋混凝土结构强度满足主蒸汽和主给水管道破管荷载的要求。

根据上述主蒸汽管道破管荷载计算结果，主蒸汽管道破管是会发生甩管，需考虑增设吸能钢梁减小管道甩击荷载。考虑直接减小主蒸汽管道甩管的打击动能，将钢梁布置在贴近管道处。吸收钢梁的计算模型与位置如下附图所示。

3.第一跨抗震设计验算

3.1抗震设计与验算标准问题

汽机厂房第一跨与抗震II类核安全相关的辅助厂房、附属厂房毗邻，为保证核安全构筑物的安全，因此必须通过计算评估汽机厂房第一跨在厂址SL-2地震震动下的结构变形性能，来验证第一跨结构变形不会影响到核岛的辅助、附属厂房结构。

3.2第一跨抗震验算分析

3.2.1验算分析方法

汽机厂房第一跨抗震验算采用有限元分析与设计软件SAP2000对汽机厂房第一跨结构进行地震作用下的弹塑性变形验算，建立的三维空间整体计算模型见后附图，X向为结构纵向（即核岛到常规岛方向），Y向为结构横向，Z向为竖直方向。抗震规范规定建筑结构在特定水平的地震作用下，进行结构弹塑性变形验算可采用静力非线性（Pushover）分析。

3.2.2结构抗震验算结论

通过有限元分析结构在规定地震作用下的弹塑性变形验算，分析结果获得结构最大弹塑性位移X向156mm，Y向40mm，不会影响到其周边的核岛辅助、附属厂房结构。整个结构在地震作用下不会倒塌，且其变形小于300mm，结构是安全可靠的。

4.后续项目第一跨结构设计建议

AP1000机组是先进的第三代反应堆，是今后国内核电发展的趋势。从三门项目第一跨结构设计经验来看，有如下建议可供后续项目汽机厂房第一跨结构设计参考：

4.1基础底板相连

汽机厂房第一跨底板与汽机主厂房底板连成一体，可以增强基础的抗倾覆、抗滑移能力，增加基础自重，可以抵抗管道破管产生的上拔力，有利于结构安全。

4.2独立的钢筋混凝土结构

汽机厂房第一跨结构同汽机厂房主体结构相对独立，有利于功能隔离，结构受力体系清晰，传力路线直接。其次抗震验算时，仅需验证第一跨本体结构在厂址极限SL-2地震加速度下厂房的变形，有利于简化结构计算分析模型。

由于汽机厂房第一跨平面布置形式为纵向单跨结构，纵向柱距仅为6.782m，结构易发生纵向变形倾覆。第一跨采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，其在地震和甩管荷载作用下抵抗变形能力优于钢结构厂房。

4.3对主管道破管荷载的考虑

汽机厂房第一跨结构设计将主管道破管甩击荷载考虑为偶然荷载，在甩管荷载作用区域可以设置多道纵、横方向的剪力对破管进行限位，同时通过设置吸能钢梁来增强结构的抗破管甩击荷载能力。

4.4第一跨采用非抗震类构筑物设计标准

核岛的设计功能要求汽轮机厂房包括第一跨在必须通过分析证明不会对核岛辅助厂房产生破坏。AP1000标准设计已将汽机厂房第一跨由非抗震类变更为抗震II类构筑物。

三门项目汽机厂房第一跨通过厂址极限安全地震（SL-2）作用下抗震复核验算表明其结构是安全可靠的，不会对核岛辅助厂房产生破坏。在后续AP1000机组设计中，汽机厂房第一跨仍可按非抗震类构筑物设计标准进行设计，但必须采用厂址安全地震（SL-2）进行复核。

5.总结

汽机厂房第一跨紧邻核岛辅助、附属厂房布置，布置有核岛的系统和设备，核岛功能要求要求汽机厂房第一跨在极限工况下不会对核岛产生不利影响。

三门项目汽机厂房第一跨结构设计过程中，通过变更结构型式为钢筋混凝土框架剪力墙结构，开展主管道破管对结构影响，增加吸能钢梁，验算结构在厂址极限地震震动（SL-2）作用和厂址极限龙卷风作用下的变形等方式，证明第一跨钢筋混凝土结构可以满足核岛的功能要求。对于后续项目汽机厂房第一跨结构设计，提出了我的一些不成熟的看法和建议，供后续项目第一跨结构设计参考。

参考文献：

[1]核电厂抗震设计规范，GB50267-97，国家地震局，1997

[2]核电厂的抗震设计与鉴定，HAD102/02，国家核安全局，1996

[3]汽机厂房第一跨结构安全分析报告，华东电力设计院，SMG-2100-S2-101，REV.0，2009

[4]汽机厂房第一跨主蒸汽和主给水管道断裂甩管和喷射计算报，上海核工程研究设计院，SM1-2100-P0C-001，REV.A，2010

（作者单位：三门核电有限公司）