三代核電核島次要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計探究范文

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【內(nèi)容摘要】本文總結(jié)分析了我國自主研發(fā)的第三代核電核島次要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，分析了鋼平臺結(jié)構(gòu)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(dǎo)意義，可供設(shè)計人員借鑒參考。

【關(guān)鍵詞】三代核電;鋼結(jié)構(gòu);荷載組合;抗震計算

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

一、結(jié)構(gòu)布置原則

(一)平面結(jié)構(gòu)體系，此類鋼平臺結(jié)構(gòu)布置應(yīng)遵循的原則。一是與混凝土相連鋼構(gòu)件采用鉸接，設(shè)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(wěn)定的影響。因結(jié)構(gòu)受三方向地震作用，在平面內(nèi)設(shè)置支撐體系，保證地震作用下鋼梁平面外穩(wěn)定;三是平面內(nèi)支撐應(yīng)均勻設(shè)置。

(二)框架結(jié)構(gòu)體系，作用于核島樓板上，四周不與墻連接，此類鋼平臺結(jié)構(gòu)布置應(yīng)遵循的原則。一是若鋼柱柱腳采用剛接，需要在樓板上預(yù)留地腳螺栓安裝孔洞，考慮鋼結(jié)構(gòu)為二次安裝，混凝土樓板已經(jīng)施工完成，預(yù)留的螺栓孔洞不宜定位，造成安裝困難，此類結(jié)構(gòu)柱腳一般均設(shè)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(dān)彎矩，為抵抗三方向地震力，立面設(shè)置柱間支撐，若工藝使用空間有限制，宜設(shè)置八字撐或人字撐。

二、結(jié)構(gòu)計算原理

核島鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用有限元進行內(nèi)力計算分析，工況及荷載效應(yīng)組合根據(jù)《壓水堆核電廠核安全有關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要求》(NB/T20011－2010)(以下簡稱《核電鋼規(guī)》)確定，構(gòu)件的設(shè)計要求滿足本規(guī)范以及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017－2003)(以下簡稱《鋼規(guī)》)的規(guī)定。核島鋼結(jié)構(gòu)抗震類別為I類，根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50267－1997)(以下簡稱《核電抗震規(guī)范》)3．2．1條規(guī)定，I類物項應(yīng)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(yīng)譜法，譜值來自核島廠房樓層反應(yīng)譜。抗震構(gòu)造按照《核電抗震規(guī)范》3．5．2條所規(guī)定的9度進行校核，符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011－2010)(以下簡稱《抗震規(guī)范》)對9度抗震設(shè)防時的有關(guān)要求。有限元計算分析時，結(jié)構(gòu)由若干個有限單元組合而成。鋼平臺作為一種空間結(jié)構(gòu)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(dǎo)荷載的方式等效到構(gòu)件上。根據(jù)構(gòu)件受力情況，構(gòu)件支座處或者構(gòu)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(jié)點力和力偶可作用于結(jié)構(gòu)的任何一個自由節(jié)點上。這些荷載的方向以結(jié)構(gòu)整體坐標(biāo)來定義，彎矩的方向遵循右手定則，在整體坐標(biāo)系中，正方向的作用力總是和坐標(biāo)軸的正向一致。

三、鋼平臺荷載類型

根據(jù)《核電鋼規(guī)》5．1．1條規(guī)定，所有與核安全有關(guān)的承重鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)按所承受的各項荷載和作用進行設(shè)計，核島內(nèi)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(jié)構(gòu)自重、液體靜水壓力以及固定的設(shè)備荷載等。L—活荷載，包括可移動的設(shè)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(shè)備的反力。To—在正常運行或停堆期間，工作環(huán)境溫度作用。

(二)嚴(yán)重環(huán)境荷載。嚴(yán)重環(huán)境荷載指核電廠在服役期間，偶然遇到的環(huán)境荷載和作用。W—廠址的基本風(fēng)壓荷載。本文探討的核島內(nèi)部鋼平臺均在核島廠房內(nèi)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(chǎn)生的地作用，包括由運行安全地震動引起的管道和設(shè)備的地震作用。

(三)極端環(huán)境荷載。極端環(huán)境荷載指極少數(shù)可能發(fā)生的環(huán)境Wt—由規(guī)定的設(shè)計龍卷風(fēng)產(chǎn)生的荷載。本文探討的核島內(nèi)部鋼平臺均在核島廠房內(nèi)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(chǎn)生的地震作用，包括由極限安全地震動引起的管道和設(shè)備的地震作用。

(四)異常荷載。異常荷載是指作為一種設(shè)計基準(zhǔn)事故，高能管道破裂事故產(chǎn)生的荷載。本文探討的核島內(nèi)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(nèi)部飛射物或外部人為事件引起的荷載。本文探討的核島內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)備的反力Ro、在正常運行或停堆期間，工作環(huán)境溫度作用To;嚴(yán)重環(huán)境荷載下的安全地震作用E1，極端環(huán)境荷載下的極限安全地震作用E2。

四、鋼平臺荷載組合

根據(jù)《核電鋼規(guī)》5．1．2條規(guī)定，壓水堆核電廠核安全有關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)組合。除了反應(yīng)堆廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)某些鋼平臺受力情況復(fù)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(jù)《核電抗震規(guī)范》規(guī)定，應(yīng)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(shè)計;應(yīng)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(yīng)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(biāo)是“鋼結(jié)構(gòu)高階振型頻率達到33HZ以上，同時，振型數(shù)量應(yīng)保證質(zhì)量參與系數(shù)達到90%以上”。

(二)阻尼比。根據(jù)《核電抗震規(guī)范》3．3．3條規(guī)定，物項阻尼比可按表1采用。核島鋼平臺，當(dāng)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(yīng)譜分析。核島鋼平臺均作用在廠房內(nèi)部，鋼平臺與核島廠房墻體或樓板相連接，計算時，反應(yīng)譜值采用相應(yīng)的核島廠房樓層反應(yīng)譜。鋼平臺頂面有與核島廠房混凝土結(jié)構(gòu)相連的約束時，反應(yīng)譜取該層標(biāo)高處樓層反應(yīng)譜，或上層：頂面與混凝土無約束時，則取柱底的樓面標(biāo)高處樓層反應(yīng)譜。核島廠房樓層反應(yīng)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(yīng)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(yīng)結(jié)果。反應(yīng)譜分析的結(jié)果和靜力分析結(jié)果進行組合。六、結(jié)語本文分析研究了三代核電核島次要鋼結(jié)構(gòu)特點及受力情況，結(jié)合規(guī)范明確了鋼平臺荷載類型及荷載效應(yīng)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(dǎo)意義，可供相關(guān)設(shè)計人員借鑒參考。

【參考文獻】

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［4］壓水堆核電廠核安全有關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計要求NB/T20012－2010［S］．北京:國家能源局，2010

［5］核電廠抗震設(shè)計規(guī)范GB50267－1997［S］．北京:國家技術(shù)監(jiān)督局中華人民共和國建設(shè)部，1997

作者：王廣濤；吳復(fù)忠