三代核電核島次要鋼結構設計探究范文

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【內容摘要】本文總結分析了我國自主研發的第三代核電核島次要鋼結構設計過程，分析了鋼平臺結構布置原則及計算原理，重點研究了鋼平臺荷載類型及荷載組合，鋼平臺抗震計算分析。本文對類似工程鋼平臺計算分析具有指導意義，可供設計人員借鑒參考。

【關鍵詞】三代核電;鋼結構;荷載組合;抗震計算

三代核電核島次要鋼結構，是在主體混凝土結構施工完成后二次施工完成。主要功能是提供人員通道、反應堆試驗或停堆期間檢修、建造期間設備安裝、支撐設備等，主要包括鋼平臺，另外附屬結構有直爬梯、斜鋼梯等。

一、結構布置原則

(一)平面結構體系，此類鋼平臺結構布置應遵循的原則。一是與混凝土相連鋼構件采用鉸接，設置斜向支撐，鋼梁與支撐組成三角受力體系，桿件主要受軸向力;二是不考慮平臺鋪板對鋼梁整體穩定的影響。因結構受三方向地震作用，在平面內設置支撐體系，保證地震作用下鋼梁平面外穩定;三是平面內支撐應均勻設置。

(二)框架結構體系，作用于核島樓板上，四周不與墻連接，此類鋼平臺結構布置應遵循的原則。一是若鋼柱柱腳采用剛接，需要在樓板上預留地腳螺栓安裝孔洞，考慮鋼結構為二次安裝，混凝土樓板已經施工完成，預留的螺栓孔洞不宜定位，造成安裝困難，此類結構柱腳一般均設置成鉸接柱腳，安裝時采用膨脹螺栓固定鋼柱柱腳。二是鋼柱柱腳不能承擔彎矩，為抵抗三方向地震力，立面設置柱間支撐，若工藝使用空間有限制，宜設置八字撐或人字撐。

二、結構計算原理

核島鋼結構應用有限元進行內力計算分析，工況及荷載效應組合根據《壓水堆核電廠核安全有關的鋼結構設計要求》(NB/T20011－2010)(以下簡稱《核電鋼規》)確定，構件的設計要求滿足本規范以及《鋼結構設計規范》(GB50017－2003)(以下簡稱《鋼規》)的規定。核島鋼結構抗震類別為I類，根據《核電廠抗震設計規范》(GB50267－1997)(以下簡稱《核電抗震規范》)3．2．1條規定，I類物項應按兩個相互垂直的水平方向和一個豎向的地震作用進行計算。計算方法采用振型分解反應譜法，譜值來自核島廠房樓層反應譜。抗震構造按照《核電抗震規范》3．5．2條所規定的9度進行校核，符合現行國家標準《建筑抗震設計規范》(GB50011－2010)(以下簡稱《抗震規范》)對9度抗震設防時的有關要求。有限元計算分析時，結構由若干個有限單元組合而成。鋼平臺作為一種空間結構體系，在軟件中用桿系單元模擬，不考慮面單元。面荷載通過導荷載的方式等效到構件上。根據構件受力情況，構件支座處或者構件相交處通過釋放約束的方式定義連接方式，固接、鉸接或者滑動。每個支座或者桿件起點、桿件終端分別有6個約束，三個方向的軸向力、三個方向的彎矩。節點力和力偶可作用于結構的任何一個自由節點上。這些荷載的方向以結構整體坐標來定義，彎矩的方向遵循右手定則，在整體坐標系中，正方向的作用力總是和坐標軸的正向一致。

三、鋼平臺荷載類型

根據《核電鋼規》5．1．1條規定，所有與核安全有關的承重鋼結構應按所承受的各項荷載和作用進行設計，核島內部鋼平臺需要考慮的荷載分為以下幾種類型。

(一)正常荷載。D—永久荷載，包括結構自重、液體靜水壓力以及固定的設備荷載等。L—活荷載，包括可移動的設備荷載、吊車荷載及其他可變荷載。活荷載分為三種情況下的活荷載:施工活荷載Sc;正常運行活荷載So;安全停堆或試驗時活荷載Se。Ro—在正常運行或停堆期間，管道和設備的反力。To—在正常運行或停堆期間，工作環境溫度作用。

(二)嚴重環境荷載。嚴重環境荷載指核電廠在服役期間，偶然遇到的環境荷載和作用。W—廠址的基本風壓荷載。本文探討的核島內部鋼平臺均在核島廠房內部，計算分析時，不考慮此項荷載作用。E1—由運行安全地震震動(SL－1)產生的地作用，包括由運行安全地震動引起的管道和設備的地震作用。

(三)極端環境荷載。極端環境荷載指極少數可能發生的環境Wt—由規定的設計龍卷風產生的荷載。本文探討的核島內部鋼平臺均在核島廠房內部，計算分析時，不考慮此項荷載作用。E2—由極限安全地震震動(SL－2)產生的地震作用，包括由極限安全地震動引起的管道和設備的地震作用。

(四)異常荷載。異常荷載是指作為一種設計基準事故，高能管道破裂事故產生的荷載。本文探討的核島內部鋼平臺，計算分析時，均不考慮此項荷載作用。

(五)其他荷載。由內部飛射物或外部人為事件引起的荷載。本文探討的核島內部鋼平臺，計算分析時，均不考慮此項荷載作用。綜上所述，核島鋼結構計算分析時需要考慮的荷載有:正常荷載下的永久荷載D(也稱恒荷載)、活荷載L、在正常運行或停堆期間，管道和設備的反力Ro、在正常運行或停堆期間，工作環境溫度作用To;嚴重環境荷載下的安全地震作用E1，極端環境荷載下的極限安全地震作用E2。

四、鋼平臺荷載組合

根據《核電鋼規》5．1．2條規定，壓水堆核電廠核安全有關的鋼結構荷載效應組合。除了反應堆廠房內部結構某些鋼平臺受力情況復雜外，其他核島廠房鋼平臺受力情況均為以上所述荷載以及荷載組合。

五、鋼平臺抗震計算分析

(一)計算要點。根據《核電抗震規范》規定，應同時采用運行安全地震震動和極限安全地震震動進行抗震設計;應按兩個相互垂直的水平方向和一個豎向進行三方向地震作用計算。抗震計算采用反應譜法，同一方向的振型組合采用CQC法，地震作用組合采用平方和平方根進行組合。抗震分析時，達到的目標是“鋼結構高階振型頻率達到33HZ以上，同時，振型數量應保證質量參與系數達到90%以上”。

(二)阻尼比。根據《核電抗震規范》3．3．3條規定，物項阻尼比可按表1采用。核島鋼平臺，當計算運行安全地震作用時，若以焊接為主，阻尼比取0．02，若以螺栓連接為主，阻尼比取0．04;計算極限安全地震作用時，若以焊接為主，阻尼比取0．04，若以螺栓連接為主，阻尼比取0．07。

(三)反應譜分析。核島鋼平臺均作用在廠房內部，鋼平臺與核島廠房墻體或樓板相連接，計算時，反應譜值采用相應的核島廠房樓層反應譜。鋼平臺頂面有與核島廠房混凝土結構相連的約束時，反應譜取該層標高處樓層反應譜，或上層：頂面與混凝土無約束時，則取柱底的樓面標高處樓層反應譜。核島廠房樓層反應譜安全運行地震SL－1地面峰值加速度為0．1g，極限運行安全地震SL－2地面峰值加速度為0．3g。反應譜采用加速度譜，有限元計算分析時采用二次完全平方和(CQC)組合振型得到反應結果。反應譜分析的結果和靜力分析結果進行組合。六、結語本文分析研究了三代核電核島次要鋼結構特點及受力情況，結合規范明確了鋼平臺荷載類型及荷載效應組合，重點介紹了抗震計算分析。本文對類似工程鋼平臺計算分析具有一定的指導意義，可供相關設計人員借鑒參考。

【參考文獻】

［1］建筑抗震設計規范GB50011－2010［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010

［2］鋼結構設計規范GB50017－2003［S］．北京:中國計劃出版社，2003

［3］壓水堆核電廠核安全有關的鋼結構設計要求NB/T20011－2010［S］．北京:國家能源局，2010

［4］壓水堆核電廠核安全有關的混凝土結構設計要求NB/T20012－2010［S］．北京:國家能源局，2010

［5］核電廠抗震設計規范GB50267－1997［S］．北京:國家技術監督局中華人民共和國建設部，1997

作者：王廣濤；吳復忠