淺談某核電工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、淺談某核電工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要:隨著科技的進(jìn)步,核電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代,本文作者結(jié)合自己多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),結(jié)合某第三代核電工程具體實(shí)例,對(duì)核電站常規(guī)島主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題進(jìn)行探討分析,僅供參考。關(guān)鍵詞:核電站;廠房;結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)目前核電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第三代“歐洲壓水堆(European pressurized water reactor,EPR”,它是這一種改進(jìn)型產(chǎn)品,它是以被驗(yàn)證的技術(shù)為基準(zhǔn),由法馬通和西門子根據(jù)歐洲用戶要求聯(lián)合開發(fā),以提高安全性和經(jīng)濟(jì)性。1工程概況某核電工程采用第三代核電機(jī)組,裝機(jī)容量為21750MW,常規(guī)島廠房縱向長(zhǎng)度109.85m,共10排柱,最大柱距14.5m,其

2、他柱距8-13.5m,橫向僅一跨,跨度57.2m,廠房柱柱腳標(biāo)高-14.5m,零米層以下除-7.5m作為中間層外,某些局部還有一些夾層作為設(shè)備平臺(tái),廠房零米層僅南端的局部有樓板,其余位開空,零米以上的主要樓層為標(biāo)高10.9m的運(yùn)轉(zhuǎn)層,在零米和運(yùn)轉(zhuǎn)層間有局部設(shè)備夾層,運(yùn)轉(zhuǎn)層以上直到標(biāo)高約為42.3m的屋架下弦為空曠空間,汽輪機(jī)縱向布置在常規(guī)島廠房中央,與汽輪機(jī)基座柱連接的各平臺(tái)采用滑動(dòng)支座,汽水分離再熱器(MSR采用立式布置,底部球絞支座支撐在混凝土立柱上,中部在10.9m與結(jié)構(gòu)樓層連接,傳遞水平作用力,HM廠房設(shè)置有一臺(tái)額定起重量300t/100t的主行車和一臺(tái)額定起重量20t的輔助行車,另有

3、一臺(tái)懸掛于主行車大車上,額定起重量100t的MSR安裝及檢修吊車。在四臺(tái)電動(dòng)給水泵上方還有一臺(tái)額定起重量40t 的起吊給水泵的吊車,懸掛標(biāo)高約在-2.5m處,用于MSR安裝及檢修吊車的拆裝。2 常規(guī)島廠房結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)該核電工程常規(guī)島廠房采用鋼框架架構(gòu),周邊框架柱采用帶支撐的架構(gòu)體系,柱腳與基礎(chǔ)固接;各層鋼平臺(tái)采用柱腳固接的框架結(jié)構(gòu)體系,平臺(tái)鋼梁通過剛接方式與平臺(tái)柱連接;平臺(tái)鋼梁與汽機(jī)基礎(chǔ)的連接采用滑動(dòng)支座的方式,屋蓋采用雙坡梯形鋼屋架,屋架上下弦桿均與框架柱連接,形成鋼屋架與鋼柱間剛接結(jié)構(gòu)體系,以減小柱的計(jì)算長(zhǎng)度?？蚣苤孛鏋樯舷滦?、中間大的型式,充分考慮構(gòu)建的受力需求。3廠房結(jié)構(gòu)分析3.1

4、設(shè)計(jì)荷載及組合第三代核電常規(guī)島主廠房設(shè)計(jì)主要荷載:恒荷載、工藝荷載、活荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載、地震作用。第三代核電常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾種荷載工況組合,各工況的組合值系數(shù)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范合理選取:抗震工況組合;安裝工況組合;正常運(yùn)行工況組合;試水工況組合;無風(fēng)荷載、無地震,吊車空載工況組合;無風(fēng)荷載、無地震,吊車滿載工況組合;有風(fēng)荷載、無地震,吊車滿載工況組合。3.2 自振特性常規(guī)島主廠房的主要設(shè)備如MSR、高低加熱器、除氧器等都集中在靠近1軸線一側(cè),而10軸一側(cè)因設(shè)備少,荷載相應(yīng)也小很多。因此,荷載的合力中心偏向于1軸線,結(jié)構(gòu)布置上充分考慮荷載合力中心與結(jié)構(gòu)剛度中心的重合問題,

5、將1軸一側(cè)的框架、支撐截面適當(dāng)加大,以避免過早出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振型。調(diào)整后結(jié)構(gòu)的前三階段振型分別為橫向平動(dòng)、縱向平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng);周期分別為 1.065、1.046、0.820 s,兩個(gè)平動(dòng)周期相近,且大于轉(zhuǎn)動(dòng)周期較多,自振特性是合理的。與常規(guī)火電項(xiàng)目主廠房相比,第三代核電常規(guī)島主廠房的自振周期較小,其主要原因?yàn)楹穗姀S主廠房的設(shè)備及管道荷載較大,從而要求結(jié)構(gòu)的構(gòu)建截面比常規(guī)火電項(xiàng)目要大,所以核電廠主廠房結(jié)構(gòu)剛度大于常規(guī)火電,核電廠主廠房自振周期較小。3.3 抗震設(shè)計(jì)根據(jù)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所提供的相關(guān)報(bào)告,該核電工程常規(guī)島主廠房框架結(jié)構(gòu)彈性分析按7度,地震動(dòng)峰值加速度0.1g,場(chǎng)地類別為I類,特征周期0.25

6、s。對(duì)于HM廠房,結(jié)構(gòu)彈性階段地震作用按上述報(bào)告中提供的常規(guī)島地面加速度反應(yīng)譜計(jì)算,并補(bǔ)充進(jìn)行SSE級(jí)地震下的彈塑性變形驗(yàn)算,以保證結(jié)構(gòu)在SSE 級(jí)地震下不會(huì)倒塌?？拐鸱治霾捎谜裥头纸夥磻?yīng)譜法并按CQC組合方式計(jì)算橫向和縱向地震作用,計(jì)算中鋼結(jié)構(gòu)阻尼比按多層鋼結(jié)構(gòu)考慮取0.035,計(jì)算重力荷載代表值的組合值系數(shù)i (也用作模態(tài)分析時(shí)各參振質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量的折減系數(shù)按表1取用。抗震分析時(shí)按主行車?？吭?軸一側(cè)(主行車的停車位置進(jìn)行質(zhì)量源計(jì)算,不考慮主行車運(yùn)行在其他位置上的地震作用。表1 重力荷載代表值的組合值系數(shù)荷載類別組合值系數(shù)i恒荷載 1.0一般設(shè)備荷載 1.0MSR 0.8除氧器和加熱器 0.8吊

7、車 1.0計(jì)算框架用的樓面活荷載 0.5汽機(jī)房屋面荷載 0MSR立式布置是抗震的布置方式,其下部連接,只傳遞豎向力,中部與運(yùn)轉(zhuǎn)層樓面水平向連接,所受地震力全部傳到運(yùn)轉(zhuǎn)層,模態(tài)分析時(shí)可以發(fā)現(xiàn)MSR 設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的振型影響很大,設(shè)計(jì)中合理布置運(yùn)轉(zhuǎn)層與MSR的水平傳力鋼梁,使地震力合理、明確地傳到框架結(jié)構(gòu)上。根據(jù)第三代核電常規(guī)島主廠房的布置特點(diǎn)可知,除周邊結(jié)構(gòu)為帶支撐的框架結(jié)構(gòu)以支撐為主要水平抗震體系外,其余各榀均勻?yàn)殇摽蚣芙Y(jié)構(gòu)。由于框架結(jié)構(gòu)自身承受水平地震力,主廠房的中間層(-7.5m及運(yùn)轉(zhuǎn)層(10.9m為混凝土樓面結(jié)構(gòu),可以有效地加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。由抗震分析可知,在縱向地震作用下,因設(shè)備質(zhì)量分布均

8、勻,結(jié)構(gòu)的抗震性能良好,兩側(cè)支撐承擔(dān)大部分水平地震力;而在橫向地震作用下,因設(shè)備集中在1軸一側(cè),此側(cè)水平地震力遠(yuǎn)大于另一側(cè),所以設(shè)計(jì)中將1軸處垂直支撐加大,另一方面因?yàn)橹谓孛娴募哟?1軸處的抗側(cè)向力剛度也有顯著提高,結(jié)構(gòu)的剛度中心向此側(cè)偏移,接近橫向水平地震力合力中心,結(jié)構(gòu)更加合理。第三代核電常規(guī)島主廠房抗震由位移控制,MSR設(shè)備要求運(yùn)轉(zhuǎn)層(10.9m在地震作用下控制位移不超過18mm,柱腳標(biāo)高-14.5m,柱高h(yuǎn)=25.4m,層間位移角e =1/1411,遠(yuǎn)小于建筑抗震規(guī)范規(guī)定的多、高層鋼結(jié)構(gòu)e=1/300。為滿足位移要求在運(yùn)轉(zhuǎn)層以下周邊框架均設(shè)置交叉支撐,增加剛度,而在運(yùn)轉(zhuǎn)層以上采用單撐

9、。3.4 屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該核電工程常規(guī)島主廠房采用有檀體系雙層壓型鋼板輕型屋面,(1橫向跨度大,達(dá)57.2m,屬于大跨度屋面結(jié)構(gòu);(2主廠房框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求屋架與框架柱剛接;(3屋架上需考慮設(shè)置一臺(tái)40t的吊車。據(jù)上述特點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了網(wǎng)架、平面衍架、帶托架的平面衍架及空間衍架4中方案。平面衍架結(jié)構(gòu)受力明確,在電力領(lǐng)域有成熟的設(shè)計(jì)、制造、安裝經(jīng)驗(yàn),可以工地拼裝、整體吊裝,施工快捷,它的特點(diǎn)在于屋面支撐和檀條受長(zhǎng)細(xì)比和撓度控制,強(qiáng)度沒有充分發(fā)揮,用鋼量稍大。帶托架的平面衍架結(jié)構(gòu)是在平面衍架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上衍生出來的,平面衍架不僅僅支撐在框架柱上,還生根與框架柱間的托架上,這種結(jié)構(gòu)可以有效地減少平面衍

10、架中每榀衍架承受的載荷,從而減小構(gòu)件截面,并且由于衍架間距減小,屋面的檀條截面也可以有效地減小,檀條更為經(jīng)濟(jì),但考慮到該核電工程汽機(jī)房屋面結(jié)構(gòu)與框架柱之間的連接為剛接,次方案在托架處要做到剛接相當(dāng)復(fù)雜,且衍架構(gòu)件和檀條截面減小的代價(jià)是增加了衍架的榀數(shù),綜合用鋼量的節(jié)省效益不明顯,故不采用此方案。空間衍架結(jié)構(gòu)采用鋼管焊接成倒三角形的載面,用剛量小、受力明確、結(jié)構(gòu)合理,而且簡(jiǎn)潔美觀,鋼管之間是采用相貫焊接,但對(duì)施工工藝要求較高,施工時(shí)局部還要搭設(shè)腳手架,對(duì)設(shè)備安裝工期會(huì)有影響,業(yè)主和施工單位顧慮頗大。對(duì)以上幾種方案分別建模計(jì)算,雖然從經(jīng)濟(jì)性角度看網(wǎng)架和空間衍架結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢(shì),但綜合考慮設(shè)計(jì)、施工、功能、安全、工期以及業(yè)主需求等多種因素條件,最終確定采用平面衍架結(jié)構(gòu)方案,該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、傳力清晰、受力合理,同時(shí)與工藝專業(yè)配合,將屋頂?shù)踯囈浦廖菁荛g距最小的主跨內(nèi),以減小吊車對(duì)屋架結(jié)構(gòu)的不利影響,做到最合理的設(shè)計(jì)。4 注意事項(xiàng)(1該工程常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜,夾層較多,設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮其結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性,進(jìn)行合理布置。(2抗震設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮設(shè)備荷載的不均勻分布,合理布置結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件,是結(jié)構(gòu)的荷載合力中心與結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度中心接近,以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng),降低地震不利影響。(3MSR立式布置雖然在平面上節(jié)約空間,但由于其水平力通過一點(diǎn)傳遞到主廠房結(jié)構(gòu),從主廠房抗震角度考慮不利布置,設(shè)計(jì)