浅谈某核电工程钢结构设计

1工程概况
某核电工程采用第三代核电机组，装机容量为2×1750MW，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，汽轮机纵向布置在常规岛厂房中央，与汽轮机基座柱连接的各平台采用滑动支座，汽水分离再热器(MSR)采用立式布置，底部球绞支座支撑在混凝土立柱上，中部在10.9m与结构楼层连接，传递水平作用力，HM厂房设置有一台额定起重量300t/100t的主行车和一台额定起重量20t的辅助行车，另有一台悬挂于主行车大车上，额定起重量100t的MSR安装及检修吊车。在四台电动给水泵上方还有一台额定起重量40t的起吊给水泵的吊车，悬挂标高约在-2.5m处，用于MSR安装及检修吊车的拆装。

2 常规岛厂房结构布置特点
该核电工程常规岛厂房采用钢框架架构，周边框架柱采用带支撑的架构体系，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，充分考虑构建的受力需求。

3厂房结构分析
3.1 设计荷载及组合
3.1.1 荷载工况
第三代核电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
第三代核电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，各工况的组合值系数根据相应规范合理选取：抗震工况组合；安装工况组合；正常运行工况组合；试水工况组合；无风荷载、无地震，吊车空载工况组合；无风荷载、无地震，吊车满载工况组合；有风荷载、无地震，吊车满载工况组合。
3.2 自振特性
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段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、0.820 s，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，第三代核电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，从而要求结构的构建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常规火电，核电厂主厂房自振周期较小。
3.3 抗震设计
根据中国地震局地质研究所提供的相关报告，该核电工程常规岛主厂房框架结构弹性分析按7度，地震动峰值加速度0.1g，场地类别为I类，特征周期0.25s。
对于HM厂房，结构弹性阶段地震作用按上述报告中提供的常规岛地面加速度反应谱计算，并补充进行SSE级地震下的弹塑性变形验算，以保证结构在SSE级地震下不会倒塌。

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

MSR立式布置是抗震的布置方式，其下部连接，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。
根据第三代核电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，其余各榀均匀为钢框架结构。由于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。
第三代核电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
该核电工程常规岛主厂房采用有檀体系双层压型钢板轻型屋面，(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、平面衍架、带托架的平面衍架及空间衍架4中方案。
平面衍架结构受力明确，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，它的特点在于屋面支撑和檀条受长细比和挠度控制，强度没有充分发挥，用钢量稍大。
带托架的平面衍架结构是在平面衍架结构的基础上衍生出来的，平面衍架不仅仅支撑在框架柱上，还生根与框架柱间的托架上，这种结构可以有效地减少平面衍架中每榀衍架承受的载荷，从而减小构件截面，并且由于衍架间距减小，屋面的檀条截面也可以有效地减小，檀条更为经济，但考虑到该核电工程汽机房屋面结构与框架柱之间的连接为刚接，次方案在托架处要做到刚接相当复杂，且衍架构件和檀条截面减小的代价是增加了衍架的榀数，综合用钢量的节省效益不明显，故不采用此方案。
空间衍架结构采用钢管焊接成倒三角形的载面，用刚量小、受力明确、结构合理，而且简洁美观，钢管之间是采用相贯焊接，但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衍架结构更有优势，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，最终确定采用平面衍架结构方案，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主跨内，以减小吊车对屋架结构的不利影响，做到最合理的设计。

4 注意事项
（1）该工程常规岛主厂房结构布置复杂，夹层较多，设计时需要充分考虑其结构的不规则性，进行合理布置。
（2）抗震设计时需要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，是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不利布置，设计时需要着重考虑，采取有效措施降低不利影响。

5 结束语
平面桁架的受力合理，结点构造简单，其杆件的内力只有轴力,材料的强度可以得到充分的利用。因其节点构造划一、杆长标准，施工方便，适用跨度大，在实际工程应用比较广泛。该核电工程常规岛主厂房屋面结构采用平面衍架方案，便于构造与制作、安装简便，施工利于现场拼接，为现场节约了工期，创造了工程的良好经济性。