核电站应急控制中心抗震设计方法探索

□林 海 万松琳

核电站应急控制中心是应急指挥部在应急期间举行会议指挥核电站应急行动的地方；运行支持中心是在应急响应期间供执行设备检修、系统或设备损坏探查和其他执行纠正行动任务的人员以及有关人员集合与等待指派具体任务的场所。日本福岛事故以前，已建的应急控制中心、运行支持中心均属于与核安全无关的Ⅲ类物项，即核电站中与核安全无关的物项。Ⅲ类物项只需要按国家现行的有关抗震设计规范进行抗震设计。日本福岛事故后，应急控制中心、运行支持中心的抗震要求需重新审视并加以合理确定。

一、应急控制中心结构特点

日本福岛事故前已建的应急控制中心、运行支持中心大部分采用框架结构加外围钢筋混凝土屏蔽墙的结构形式。日本福岛事故后设计的应急控制中心结构形式改为了钢筋混凝土抗震墙结构，抗震能力得到了提升。应急控制中心通常为地上2～3层建筑物，其外围混凝土墙体同时兼具辐射屏蔽作用，对于墙体的裂缝有严格的要求。

本文以某核电站应急控制中心为例，该中心当地抗震设防烈度为7度，为地上2层建筑，长56.4m，宽17.7m，首层结构层高为6.5m，二层层高为4.2m，采用条形基础，基础持力层为强风化黑云母花岗岩，墙体全部为钢筋混凝土墙体，外围起屏蔽作用的墙体根据工艺需求设置为厚度300mm，其余墙体厚度为200～160mm。

二、地震输入

根据建筑物的重要性程度合理地选择地震输入，应急控制中心不同于普通工业民用建筑，应急控制中心的结构首先要实现的功能是在核应急状态下保证可居留性，对应的最不利地震工况为SL-2，即在该工况下保证结构构件不能出现破坏，起屏蔽作用的墙体不能出现贯穿性的裂缝。

本文考虑四种地震工况：当地抗震设防烈度(7度小震)、当地地震设防烈度提高一度(8度小震)、当地地震设防烈度提高一度并考虑中震弹性设计(8度中震弹性)和核电站抗震I类(SL-2)。对于SL-2地震工况，采用RG1.60标准反应谱，地面水平加速度峰值取0.2g。

三、结构分析

(一)模型与计算软件。本次采用ANSYS和PKPM两种结构分析软件分别建立三维模型，比较其结果。ANSYS中墙、板采用壳单元shell181模拟，梁、柱采用单元beam188模拟。

图1 一层模型图 图2 二层模型图

PKPM软件是国内结构设计领域的应用最普遍的软件之一，具有操作简便，计算结果准确，适用性强等特点。其中SATWE模块式专门为多、高层建筑设计而研制的空间组合结构有限元分析软件。

(二)结构位移响应。结构的位移直接体现了结构的刚度，《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)以钢筋混凝土构件开裂时的层间位移角作为多遇地震下结构弹性层间位移角限值。计算结构在上述四种地震工况下的位移响应，如图3、图4所示。图中X向为建筑物的长度方向，Y向为建筑物的宽度方向。

图3 结构X方向位移 图4结构Y方向位移

从图3、图4可以看出：结构Y方向的位移大于X方向，整体变形表现为剪切型变形，小震情况下地震烈度从7度提高到8度，结构位移增加了1倍多，但仍然远小于SL-2地震工况下的位移，8度中震弹性工况下的结构位移大于ANSYS的SL-2地震工况结果，略低于PKPM的SL-2地震工况结果。各工况下结构的层间位移角均远小于规范弹性位移角限值1/1,000。

上述位移计算结果表明，应急控制中心抗侧移刚度很大，结构变形验算能满足规范弹性位移角限值要求，在四种地震工况下，结构墙体整体仍处于弹性阶段，不会出现倒塌破坏。

(三)结构配筋分析。对上述四种地震工况分别进行计算配筋，计算结果显示，各工况下墙体竖向筋配筋率没有明显变化，无论竖向筋还是水平筋配筋率都接近最小配筋率。地震力的增大并没有显著增大墙体配筋，说明墙体截面富裕度很大，结构刚度很大。在本文的应急控制中心结构布置方案下，抗震设防标准从7度提高到8度中震弹性或SL-2，对于混凝土构件配筋量的影响很小，对于工程经济造价影响较小。

(四)结构裂缝计算结果。应急控制中心必须保证SL-2地震工况下的可居留性，按照SL-2地震输入对应急控制中心进行配筋设计，同时根据实际配筋进行构件的裂缝验算，验算结果表明，各结构构件的裂缝都控制在0.15mm以下。其中起屏蔽作用的厚度300墙体和屋面板最大裂缝均小于0.1mm。

四、结语

通过上述的计算分析，可以得出如下几点结论：第一，本文中急控制中心布置方案，结构整体拥有非常大的抗侧移刚度。通过合理配筋，主要结构构件能够在8度中震和SL-2地震工况下保持在弹性阶段，并且还拥有较大的抗震富裕度。第二，SL-2地震工况下，应急控制中心的外围屏蔽墙体和楼板裂缝均不大于0.1mm，不会出现贯通破坏性裂缝，可以保证可居留性。厚度300mm屏蔽墙体的设置不仅从工艺角度满足防辐射要求，而且从结构裂缝控制的角度也能为可居留性提供保证。第三，对于本文中应急控制中心的结构布置方案，抗震设防标准从7度提高到8度中震弹性或SL-2，对于混凝土构件配筋量的影响很小，对于工程经济造价影响较小。第四，计算分析表明，可以通过结构专业普遍使用的PKPM软件有效实现中震弹性设计以及非国标反应谱的输入与调整，给不同设防标准下结构的抗震分析提供了更为简便直接的方法。由于PKPM是专门面向土木结构设计的软件，其数据后处理较ANSYS这类通用有限元软件便利许多，可以大大缩短设计周期，考虑此便利性，可以在PKPM中对应急控制中心按当地抗震设防烈度提高一度进行中震弹性设计，并采用SL-2工况结果进行校核。