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1、1核电站抗震设计与加固改造中应用概念设计理念的若干建议核电站抗震设计与加固改造中应用概念设计理念的若干建议钱国桢1 1孙宗光2 倪一清3（1. 原杭州市抗震办公室，杭州 310016；2. 大连海事大学，大连 116026；3. 香港理工大学，香港）提要：提要：针对有关核电站在地震中出现的一些问题，基于概念设计理念，对设计和加固改造核电站提出若干建议。包括：合理布局、多道设防、加强连接、明确简图、应用结构控制技术和振动损伤判别检测技术等等。还提出了若干具体做法，如：把安全壳等做成地下双层结构、将有关静定结构与构件改为超静定结构、分割结构体系使计算简图简单化、简捷传力路径、调整相关结构质量与刚度
2、、强化主结构弱化次结构、弱化连接避免耦联、调节布局改变结构振型以减少响应、采用隔振技术与阻尼技术等等。关键词：关键词：核电站，抗震设计、加固改造、概念设计，建议Some Suggestions of Applying Seismic Concept design about Design and Retrofit of Nuclear Power PlantsQian Guozhen1 Sun Zongguang2 Ni Yiqing3(1. The Hangzhou anti-seismic office, Hangzhou 310016; 2. Dalian maritime univer
3、sity, Dalian 116026; 3. The Hong Kong polytechnic university, Hong Kong)Abstract: For problems appearing in the earthquake, some suggestions on designing and Retrofitting the nuclear power plants are put forward based on concept design idea. The suggestions involves reasonable layout, multi-channel
4、fortification, strengthening the connection, clear diagram, applying structure control technology and vibration damage detection technology etc. Some concrete methods also put forward, such as making containing vessel as a two-layer underground structure, changing the statically determinate structur
5、e to the statically indeterminate ones, simplifying calculating diagram by dividing structure system, adjusting the mass and stiffness of structure related, strengthening the main structure, weakening subordinate structure, optimizing vibration mode by adjusting the layout to reduce response, applyi
6、ng vibration isolation and damper technology, applying structural damage identification and diagnosis technology, and so on. Keywords：Nuclear power plant,Seismic design, Retrofit, Concept design, Suggestion. 1. 前言前言有关国家的核电站由地震或者操作失误造成严重的核扩散灾害的事实，迫使我们对核电站的设计安全问题，做出进一步的慎重思考。从以往的一些核电站抗震设计与规范中了解到123，它们常
7、常十分重视计算方法的精确性，而对其概念设计问题较少提及，如：整体合理布局、明确计算简图、清晰传力路径、加强连接多道设防、规则均衡减少扭转、减轻自重减少响应、强化构造措施、通讯作者: 孙宗光, 2消除薄弱环节、增加构件延性、防止突然破坏和整体破坏等等。这些原则不但在新设计时应该考虑，而且对一些已建的核电站，为了提高抗震性能、减少事故损失而采取的加固改造工程时，也可供决策参考。虽然核电站结构具有特殊性，但是对于所有结构物的抗震问题是存在共性的。现在抗震概念设计问题越来越被国内外的业内专家重视48，而且其理念早已被编入我国建筑抗震规范9。这里，我们仅根据以往对一般工业与民用建筑结构的抗震概念设计经验
8、10, 11, 13，提出以下若干建议，仅供有关专业人员参考。2. 多道设防，强化连接多道设防，强化连接1）宜将新建核电站的主要设施建成地下双层结构建议把新建的核电站的主要设施都安置在地下建筑中，并且做成地下双层结构，即将地下承受土压力和水压力的衬砌结构，与核电站主结构分离。这样做有很多好处，其一，既增加了一道保险又便于检查，特别对基底情况的检查，一旦产生事故比较容易加固或者对底部封堆处理，避免产生像切尔诺贝利核电站底部封堆时所付出的高额代价；其二，地面建筑对地震作用都有放大效应，而地下建筑受地震影响相对较小，在相同壁厚时，具有更大的防护能力；其三，平时不容易受雷击、风暴等灾害影响，一旦发生战
9、争或恐怖事件，不易成为攻击目标；其四，利用地下空间，可节省地价；其五，便于采取减震和结构控制措施，例如可在底部设置隔振垫，在四周与上部设置阻尼器，甚至可在顶部设置被动控制装置，以减少地震响应（如图 1 所示） 。a）带隔振耗能地下双层核安全壳结构地下结构衬砌核安全壳阻尼器隔振垫地面b）带被动控制的隔振耗能地下双层核安全壳结构地下结构衬砌TMD 质量块 最优刚度连接件 （兼阻尼器）阻尼器隔振垫地面核安全壳图 1. 地下双层核安全壳结构示意图是否会增加造价？这就要具体情况具体分析，如果仅仅把安全壳部分结构放入地下，那么投资的增加是很有限的。现在建设费用的大部分都是花在地价上，而工期又大多消耗在征地
10、阶段。对核3电站而言，可能工艺设备造价比土建费用大得多，当然安全投资是一劳永逸的，大一点也是应该容许的。根据我国目前的地下建筑施工设计能力，在一般土层中要设计建造一个几万平米、十多米深度的地下室在技术上已经不是一件难事。如果建在岩层中，对单跨 30 米左右的地下工程，也有不少建成的先例。因此，这不但是必要的也是可能的。2）宜把核电站建筑、工艺构筑物等静定结构改为超静定结构建议尽量不要把核电站建筑、工艺构筑物、反应堆内控制棒、燃料棒组件等等的结构做成静定结构，如悬臂梁结构、简支梁结构、铰接桁架结构等等。因为 1）这类结构只有一道设防，一旦其中一个连接，或者一个构件截面破坏就会产生整个结构破坏；2
11、）这类结构地震耗能很少，因此不会由于它们的破坏而减少其他结构的地震作用；3）以往反应堆内的控制棒、燃料棒组件，为了更换方便常常采用悬臂连接方案，一旦大地震时它们很容易发生大位移与局部破坏。这将会对整个核电站产生安全危机。建议有关工艺方案应该进行抗震设计与审查。3. 明确简图、合理布局明确简图、合理布局我们知道正确合理的结构设计的前提条件是，计算简图必须能够符合实际情况，否则再精确的计算也是毫无意义的。但是一般复杂的结构系统，常常很难用一个明确的简图表示，有时为了计算需要作一些假定，如这些假定不尽合理，就会使计算结果的可信度大大下降，从而使结构带来隐患，特别在抗震设计中经常会遇到这种情况，它要求
12、结构体系与布局，必须能够抽象为明确的计算简图，如果不能就要调整布局，或者改变体系，这是与常规静态设计很不同的地方。以下将对此提出若干建议：1）分割结构体系核电站设计计算中，主结构与子结构的解耦是存在很大困难的。如果应用概念设计方法，不妨从另一个角度出发来考虑这个问题。这就是不从模型的细化简化上做文章，而从主结构与子结构的分割上着眼。正如在建筑设计中设置抗震缝一样，如果不能彻底分开就弱化它们之间的连接，把有关连接节点做成柔性连接，或者在连接节点处设置阻尼器，把它们间的影响缩小到计算可以忽略的范围。2）整合结构体系我们知道有时因为工艺的必须，无法将有关结构明确简单分割。这会使主结构与子结构区分变得
13、困难，从而造成计算困难。这时，可以采取另一种相反的途径，就是强化某一个主结构，弱化另4一个结构，有意拉大它们之间振动周期的差异，使假定的计算简图趋向合理简化。这样能够较清楚的分清主结构与次结构。使计算结果具有较好的可信度。3）弱化连接、避免耦联）弱化连接、避免耦联工艺设计中难免要遇到，一个大的实体结构与一些管道相连，由于它们之间刚度相差很大，因工艺设计中难免要遇到，一个大的实体结构与一些管道相连，由于它们之间刚度相差很大，因此在地震时，很容易使管道产生鞭梢效应，特别是在它们的连接处因为应力集中，所以很容易产生此在地震时，很容易使管道产生鞭梢效应，特别是在它们的连接处因为应力集中，所以很容易产生
14、破坏。在常规土建工程中常常采用弱化连接节点刚度的办法，如采用可伸缩的折叠式柔性管道接头；破坏。在常规土建工程中常常采用弱化连接节点刚度的办法，如采用可伸缩的折叠式柔性管道接头；或者采用互相垂直的串联或者采用互相垂直的串联 U 型管道接头（图型管道接头（图 2 所示）所示） ，使受剪控制变为受弯控制，而且使弯曲刚度，使受剪控制变为受弯控制，而且使弯曲刚度大大减少使动应力峰值相应减少；还有在支座处管道上设置阻尼器，以减少管道响应，这在斜拉索大大减少使动应力峰值相应减少；还有在支座处管道上设置阻尼器，以减少管道响应，这在斜拉索结构中的拉索锚固端边，常可见到采用这种措施来减少拉索的响应。结构中的拉索锚
15、固端边，常可见到采用这种措施来减少拉索的响应。4）调整布局、改变振型、减少响应这个建议对设备的抗震也许更会有参考价值。就是调整设备布局，将核电站的主要设备，尽可能放在同一块，或者几块混凝土厚板上。这样做有很多好处，首先，可以随意改变整个系统的质量大小和布局，由此来调节整个系统的振动模态，减少响应；其次，可以人为调节系统的形心与重心，简化计算模型，使计算结果更具可信度；第三，可使所有设备在地震时同步振动，减少相对位移，不易使连接管道产生过大的相对位移而破坏；第四，便于考虑整个系统的结构控制问题、设置隔振垫和阻尼器，以减少总体地震响应。如果所有设备都集中到一块板有困难，可以一组设备，甚至一个大型设
16、备设置一个重型底板，但是所有管道与它应该采用柔性连接。这种做法在常规建筑和设备基础设计中是较多采用的。4. 建议在核电站工程中应用结构控制技术建议在核电站工程中应用结构控制技术对未来的地震我们虽然还无法准确预测和量化计算，但是如何减少地震作用的影响是可以人为控制的，这就是采用结构控制技术。当前对地震的主动控制技术还处于研究试验阶段，但是地震的被动控制技术的应用已经比较成熟。比如隔振技术、阻尼减震技术和质量调谐减震技术（TMD）等等。具体应用可在地下衬砌与安全壳间设置隔振垫，在两层侧壁间设置阻尼器，在管道的连接点设置阻尼器，在主要设备基础垫板下设置隔振垫，或者在安全壳上设置被动控制质量块（采用 TMD 技术）等（图 1b 所示） 。这些技术都是可供选择的。从当前我国核电站抗震基本理论、应用设计与设计规范还有待完善的情况看，采用直接减少地震响应的控制技术，无疑是一个很好的选择。其实早在上世纪 80 年代，法国及南5非已经将隔振垫技术应用于核电站建设中，当时采用的是摩擦板串联叠层橡胶隔震垫
