EPR常规岛主厂房钢结构设计

第４３卷增刊２０１０年８月武汉大学学报（工学版）Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ．４３Ｓｕｐ．Ａｕｇ．２０１０作者简介：宋扬（１９８１－），男，工学硕士，主要从事发电厂土建结构设计工作，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｏｎｇｙａｎｇ＠ｇｅｄｉ．ｃｏｍ．ｃｎ．文章编号：１６７１－８８４４（２０１０）Ｓ１－０１４０－０４ＥＰＲ常规岛主厂房钢结构设计宋扬，张略秋（广东省电力设计研究院，广东广州　５１０６６３）摘要：三代核电ＥＰＲ（Ｅｕｒｏｐｅ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｒｅａｃｔｏｒ）常规岛布置与ＡＰ１０００、ＣＰＲ等核电有较大差别，结构复杂，局部夹层较多，不规则．以采用三维空间整体模型对主厂房钢结构进行有限元分析的台山核电厂一期工程为例，介绍ＥＰＲ常规岛主厂房的结构型式及设计要点，可供其他工程结构设计参考．关键词：ＥＰＲ；三代核电；主厂房；钢结构；抗震设计中图分类号：ＴＵ　３９８ 文献标志码：ＡＤｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｐｏｗｅｒ－ｈｏｕｓｅ　ｆｏｒＥｕｒｏｐｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｉｓｌａｎｄＳＯＮＧ　Ｙａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｌｕｅｑｉｕ（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ＩＩＩ　ｎｕｃｌｅａｒ　ｐｏｗｅｒ　ＥＰＲ（Ｅｕｒｏｐｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｅａｃｔｏｒ）ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｉｓｌａｎｄ　ｉｓ　ｍｕｃｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ＡＰ１０００，ＣＰＲ　ｅｔｃ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＥＰＲ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｉｓｌａｎｄ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍ－ｐｌｅｘ　ａｎｄ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｗｉｔｈ　ｍａｎｙ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓ　ｉｎ　ｉｔ．Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　３Ｄｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｐｏｗｅｒ－ｈｏｕｓｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　Ｔａｉｓｈａｎ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｔｙｐｅ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｋｅｙ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｐｏｗｅｒ－ｈｏｕｓｅ　ｆｏｒ　ＥＰＲ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｉｓｌａｎｄ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｓｏ　ａｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒｏｔｈｅｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｅｕｒｏｐｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｅａｃｔｏｒ；ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ＩＩＩ　ｎｕｃｌｅａｒ　ｐｏｗｅｒ；ｍａｉｎ　ｐｏｗｅｒ－ｈｏｕｓｅ；ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｓｅｉｓｍｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ１　工程概况台山核电厂一期工程采用第三代核电技术———ＥＰＲ机组，装机容量２×１　７５０ＭＷ．常规岛厂房纵向长度１０９．８５ｍ，共１０排柱，最大柱距１４．５ｍ，其他柱距在８～１３．５ｍ；横向仅一跨，跨度５７．２ｍ．厂房柱柱脚标高－１４．５ｍ，零米层以下除－７．５ｍ作为中间层外，某些局部还有一些夹层作为设备平台．厂房零米层仅南端的局部有楼板，其余位置开空．零米以上的主要楼层为标高１０．９ｍ的运转层，在零米和运转层间有局部设备夹层．运转层以上直到标高约为４２．３ｍ的屋架下弦为空旷空间．汽轮发电机纵向布置在常规岛厂房中央，与汽机基座柱连接的各平台梁采用滑动支座．汽水分离再热器（ＭＳＲ）采用立式布置，底部球铰支座支承在混凝土立柱上，中部在１０．９ｍ与结构楼层连接，传递水平作用力．厂房内配有一台额定起重量３００ｔ的主行车、一台额定起重量２０ｔ的辅助行车以及一台悬挂在主行车大车上额定起重量７０ｔ的ＭＳＲ安装及检修吊车．另外还设有一台额定起重量４０ｔ的吊车，悬挂在８、９轴的屋架下弦，用于ＭＳＲ安装及检修吊车的拆装．ＥＰＲ常规岛主厂房断面图见图１．　增刊宋扬，等：ＥＰＲ常规岛主厂房钢结构设计２　常规岛厂房结构布置特点台山核电一期工程常规岛厂房采用钢框架结构，周边框架柱采用带支撑的结构体系，柱脚与基础固接；各层钢平台采用柱脚固接的框架结构体系，平台钢梁通过刚接方式与平台柱及框架柱连接；平台钢梁与汽机基础的连接采用滑动支座的方式．屋盖采用双坡梯形钢屋架，屋架上下弦杆均与框架柱连接，形成钢屋架与钢柱间刚接结构体系，以减小柱的计算长度．框架柱截面为上下小、中间大的型式，充分考虑构件的受力需求．图１　ＥＰＲ常规岛主厂房断面图３　常规岛厂房结构分析ＥＰＲ常规岛主厂房采用大型空间有限元软件ＳＡＰ２０００建立整体模型进行结构分析、构件设计．三维空间有限元模型见图２．３．１　设计荷载及组合３．１．１　荷载工况ＥＰＲ常规岛主厂房设计主要荷载：恒荷载，工艺荷载，活荷载，吊车荷载，风荷载，地震作用．３．１．２　荷载组合ＥＰＲ常规岛主厂房结构构件设计时主要考虑以下几种荷载工况组合，各工况组合的组合值系数根据相应规范合理选取：１）抗震工况组合；２）安装工况组合；３）正常运行工况组合；４）试水工况组合；５）无风荷载、无地震，吊车空载工况组合；６）无风荷载、无地震，吊车满载工况组合；７）有风荷载、无地震，吊车满载工况组合．３．２　自振特性ＥＰＲ常规岛主厂房的主要设备如ＭＳＲ、高低加热器、除氧器等都集中在靠近１轴线一侧，而１０轴一侧因设备少，荷载相应也小很多，因此荷载的合力中心偏向于１轴线．结构布置上充分考虑荷载合力中心与结构刚度中心的重合问题，将１轴一侧的框架、支撑截面适当加大，以避免过早出现扭转振型．调整后结构的前三阶振型分别为横向平动、纵向平动及转动；周期分别为１．０６５、１．０４６、０．８２０ｓ，两个平动周期相近，且大于转动周期较多，自振特性是合理的．与常规火电项目主厂房相比，ＥＰＲ常规岛主厂房的自振周期较小，其主要原因为核电厂主厂房的设备及管道荷载较大，从而要求结构的构件截面比常规火电项目要大，所以核电厂主厂房结构刚度大于１４１武汉大学学报（工学版）第４３卷图２　ＥＰＲ常规岛主厂房整体计算模型常规火电，核电厂主厂房自振周期较小．３．３　抗震设计台山核电ＥＰＲ常规岛主厂房框架结构弹性分析按７度中震（αｍａｘ＝０．２３）计算水平地震作用．抗震分析采用振型分解反应谱法并按ＣＱＣ组合方式计算横向和纵向地震作用．计算中钢结构阻尼比按多层钢结构考虑取０．０３５，计算重力荷载代表值的组合值系数Ψｉ（也用作模态分析时各参振质点质量的折减系数）按表１取用．抗震分析时按主行车停靠在１轴一侧（主行车的停车位置）进行质量源计算，不考虑主行车运行在其他位置上的地震作用．表１　重力荷载代表值的组合值系数荷载类别组合值系数Ψｉ恒荷载１．０一般设备荷载（如管道、设备支架等）１．０ＭＳＲ（包含设备和运行工况水重）０．８除氧器和加热器（包含设备重和运行工况水重）０．８吊车（行车吊车与单轨吊）自重１．０计算框架用的楼面活荷载０．５汽机房屋面荷载０ ＭＳＲ立式布置是抗震不利的布置方式，其下部铰接，只传递竖向力，中部与运转层楼面水平向连接，所受地震力全部传到运转层，模态分析时可以发现ＭＳＲ设备对结构的振型影响很大．设计中合理布置运转层与ＭＳＲ的水平传力钢梁，使地震力合理、明确地传到框架结构上．根据ＥＰＲ常规岛主厂房的布置特点可知，除周边结构为带支撑的框架结构以支撑为主要水平抗震体系外，其余各榀均为刚框架结构，由主框架结构自身承受水平地震力．主厂房的中间层（－７．５ｍ）及运转层（１０．９ｍ）为混凝土楼面结构，可以有效地加强结构的整体性．由抗震分析可知，在纵向地震作用下，因设备质量分布均匀，结构的抗震性能良好，两侧支撑承担大部分水平地震力；而在横向地震作用下，因设备集中在１轴一侧，此侧水平地震力远大于另一侧，所以设计中将１轴处垂直支撑加大，另一方面因为支撑截面的加大，１轴处的抗侧向力刚度也有显著提高，结构的刚度中心向此侧偏移，接近横向水平地震力合力中心，结构更加合理．ＥＰＲ常规岛主厂房抗震由位移控制，ＭＳＲ设备要求运转层（１０．９ｍ）在地震作用下控制位移不超过１８ｍｍ，柱脚标高－１４．５ｍ，柱高ｈ＝２５．４ｍ，层间位移角θｅ＝１／１４１１，远小于《建筑抗震规范》规定的多、高层钢结构［θｅ］＝１／３００．为满足位移要求在运转层以下周边框架均设置交叉支撑，增加刚度，而在运转层以上采用单撑．３．４　屋面结构设计台山核电ＥＰＲ常规岛主厂房采用有檩体系双２４１　增刊宋扬，等：ＥＰＲ常规岛主厂房钢结构设计层压型钢板轻型屋面，主要有以下３个特点：１）横向跨度大，达５７．２ｍ，属于大跨度屋面结构；２）主厂房框架结构设计要求屋架与框架柱刚接；３）屋架上需考虑设置一台４０ｔ的吊车．据上述特点设计时主要考虑了网架、平面桁架、带托架的平面桁架以及空间桁架４种方案．平面桁架结构受力明确，在电力领域有成熟的设计、制造、安装经验，可以工地拼装、整体吊装、施工快捷．它的缺点在于屋面支撑和檩条受长细比和挠度控制，强度没有充分发挥，用钢量稍大．带托架的平面桁架结构是在平面桁架结构的基础上衍生出来的，平面桁架不仅仅支撑在框架柱上，还生根于框架柱间的托架上，这种结构可以有效地减小平面桁架中每榀桁架承受的荷载，从而减小构件截面；并且由于桁架间距减小，屋面的檩条截面也可以有效减小，檩条更为经济．但考虑到台山核电ＥＰＲ汽机房屋面结构与框架柱之间的连接为刚接，此方案在托架处要做到刚接相当复杂，且桁架构件和檩条截面减小的代价是增加了桁架的榀数，综合用钢量的节省效益不明显，故不采用此方案．空间桁架结构采用钢管焊接成倒三角形的截面，用钢量小，受力明确，结构合理，而且简洁美观．但钢管之间是采用相贯焊接，对施工工艺要求较高，施工时局部还要搭设脚手架，对设备安装工期会有影响，业主和施工单位顾虑颇大．对以上几种方案分别建模计算，虽然从经济性角度看网架和空间桁架结构更有优势，但综合考虑设计、施工、功能、安全、工期以及业主需求等多种因素条件，最终确定采用平面桁架结构方案（见图３）．该结构简洁、传力清晰、受力合理．同时与工艺专业配合，将屋顶吊车移至屋架间距最小的柱跨内，以减小吊车对屋架结构的不利影响，做到最合理的设计．４　结语１）ＥＰＲ常规岛主厂房结构布置复杂，夹层较图３　平面桁架屋面结构多，设计时需充分考虑结构的不规则性，进行合理布置． ２）抗震设计时需着重考虑设备荷载的不均匀分布，合理布置结构的抗侧力构件，使结构的荷载合力中心与结构的抗侧力刚度中心接近，以减小扭转效应，降低地震不利影响．３）ＭＳＲ立式布置虽然在平面上节约空间，但由于其水平力通过一点传递到主厂房结构，从主厂房抗震角度考虑，是不利布置，设计时需着重考虑，采取有效措施降低不利影响．４）虽然从多方面考虑，台山核电ＥＰＲ常规岛主厂房屋面结构采用平面桁架方案，但通过方案对比，可以发现采用空间桁架结构有明显的经济优势，如果能克服施工、工期等困难因素，在今后的设计中宜采用此方案．参考文献：［１］　ＧＢ　５００１１－２００１，建筑结构抗震规范［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００８．［２］　ＤＬ　５０２２－９３，火力发电厂土建结构设计技术规定［Ｓ］．北京：水利电力出版社，１９９３．［３］　ＧＢ　５０２６７－９７，核电厂抗震设计规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，１９９８．［４］　ＧＢ　５００１７－２００３，钢结构设计规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００３．３４１。