文 靜，司國建，孫造占，李海龍

(1環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082; 2中國原子能科學研究院，北京 102413)

核電廠廠房基礎隔震設計研究的構想

文 靜1，司國建1，孫造占1，李海龍2

(1環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082;2中國原子能科學研究院，北京 102413)

簡要介紹了國內(nèi)外在核電廠廠房基礎隔震設計的研究與應用方面的現(xiàn)狀，論述了在我國進行核電廠廠房基礎隔震設計研究的必要性和重要意義。在此基礎上，提出了在國內(nèi)進行核電廠廠房基礎隔震設計研究的基本構想。

核電廠;廠房;基礎隔震

1 引言

基于中國未來發(fā)展對于能源的需求，國務院于2007年10月批準的《核電中長期發(fā)展規(guī)劃 (2005～2020年)》確定了我國當前和未來核電大發(fā)展的方向，胡錦濤總書記對此提出了核工業(yè)要“又好又快又安全地發(fā)展”的要求。由于核工業(yè)的特殊性，安全性更是核電廠的生命線。我國屬于多地震國家，基本烈度大于7度的面積約占國土的1/3，大于等于6度的面積達國土的60%。在地震下的安全性是貫穿核電廠選址、設計、運行至退役過程要考慮的關鍵問題之一。

減小地震危害一般采取的措施有4種:一是避震，即核電廠選址時盡量避開地震區(qū)或高地震區(qū);二是控震，即采用摩擦擺、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等設施或方法來控制建筑結構或設施的地震響應;三是抗震，即采用提高設備或儀表的剛度和結構強度的方法來增強其抵抗地震的能力，“以剛克剛”;四是隔震，即通過在建筑物的底部設置一切向剛度很小的隔震層，延長結構的自振周期，增加結構的阻尼，有效地減少結構的地震加速度反應，使地震引起的位移反應得到明顯抑制，結構基本上處于彈性工作狀況，從而使建筑物不產(chǎn)生破壞或倒塌，“以柔克剛”。

在我國核電大發(fā)展的今天，完全避開地震區(qū)或高地震區(qū)非常困難?？卣鸺夹g目前在我國甚至國際上還處于起步嘗試階段，技術尚很不成熟，而且更適于小型建筑或設施。傳統(tǒng)意義上提高設備或結構的強度的抗震設計在核電廠設計中已經(jīng)非常成熟。在對國內(nèi)外隔震設計研究與應用了解的基礎上，本文嘗試提出在我國進行核電廠廠房基礎隔震設計的構想。

2 國外核電廠隔震設計與應用現(xiàn)狀

基礎隔震技術首先由美國、英國、日本法國、德國等發(fā)起，主要應用在一些重要建筑或設備的設計上，這些建筑或設備或是要求在地震時或地震后保持正常運轉(zhuǎn)或者安全狀態(tài)或是其經(jīng)濟利益非常重大，如首腦機關、生命線工程、災害指揮中心、金融通訊中心、醫(yī)院橋梁、核電廠、古建筑等，其后隨著技術的發(fā)展成熟，逐漸更多地被應用到普通民用建筑上隔震技術在核電廠的應用可以分為全樓 (基礎)隔震、樓層隔震、設備隔震3種?；A隔震技術在核電廠的應用主要集中在反應堆廠房燃料廠房、電氣及維護建筑、反應堆輔助建筑以降低廠房內(nèi)部設備和管道的地震反應，保障其抗震安全。廠房基礎隔震的示意圖見圖1。

美國在大量的相關試驗和部分應用后，把隔震設計技術列入了《統(tǒng)一建筑規(guī)范1982》(Uniform Building Code)，在1997年又進行了升版。美國稱為PRISM和SAFR的兩座液態(tài)金屬反應堆采用了隔震設計。在隔震設計過程中，完成了不同種類不同特性的隔震墊的設計、生產(chǎn)和大量試驗。該隔震設計由美國地震工程研究中心 (EERC)完成。PRISM僅對反應堆容器進行水平隔震設計防護，設計中采用了20個高阻尼合成橡膠支座。而SAFR在水平和豎向均采用了柔性支承來提供水平和豎向隔震，整個SAFR建筑采用了100個隔震器。

圖1 基礎隔震示意圖

法國首先在核電廠建設中采用了基礎隔震技術，于1977年將基礎隔震設計技術應用于南非Koeberg核電廠 (2×900MW)，于1984年應用于法國Cruas核電廠 (4×900MW)，這兩座反應堆均為壓水堆。其中Koeberg核電廠采用的是疊層橡膠支座加滑動摩擦板，這個隔震體系把核電廠有關結構物建于雙層筏基礎上，在下筏上裝有疊層橡膠，在上、下筏之間安裝兩塊滑板，這是一種典型的由疊層橡膠和滑動隔震組成的復合隔震體系。Cruas核電廠采用的是疊層橡膠支座，它們均由法國設計建造。當時法國核電廠設計遵循標準核電廠系統(tǒng)(Structural Nuclear Unit Power Plant System，SNUPPS)，該系統(tǒng)要求核電廠廠址基巖的地震加速度不得超過0.2g，而所選的廠址區(qū)基巖加速度水平高于這一要求值。為此，設計者采用了廠房基礎隔震技術，使得標準化設計在高震區(qū)仍能適用。

英國先后在1983年和1988年建成了Heysham核電廠 (2×575MW)和Torness核電廠(2×700MW)，這兩座反應堆均屬先進氣冷堆(Advanced Gas-cooled Reactor)，在其中也采用了廠房基礎隔震技術。

日本是世界上地震最多的國家之一，其科研工作者對抗震與隔震設計研究最多。隔震技術首先被應用在民用建筑上，日本于1986年完成了第一座大型的基礎隔震建筑。至2009年在日本采用基礎隔震技術民用建筑和設備數(shù)量居世界首位，有5000多幢。日本建筑學會于1989年推出了《免震結構設計指針》，作為隔震技術在民用建筑設計上應用的指導性規(guī)范。日本的隔震設計在建筑及土木工程等領域內(nèi)的應用已取得了積極的進展，尤其在1995年的阪神大地震中，因其有效性而受到關注。在民用建筑上使用的成功更加推動了隔震技術在核電廠的應用。日本有關專家于1987年至1993年期間在通產(chǎn)省支持下開展了“快堆隔震系統(tǒng)驗證實驗”，包括各種隔震器的破壞實驗和3層框架模型 (重20t)振動臺試驗。實驗表明:隔震效果明顯，且由動力測定的隔震系統(tǒng)動力特性與元件擬動力實驗結果符合良好。其后經(jīng)過長達近15年的科學研究和相關部門協(xié)作，日本電氣協(xié)會原子能委員會編寫了適用于核電廠隔震設計的規(guī)范《原子力發(fā)電所免震構造設計技術指針 JEAG4614-2000》，其中給出了適用范圍、基本方針、重要度分類、隔震裝置設計、分析評價方法、隔震裝置的維護，并給出了隔震設計的參考實例。日本最新研究設計的鈉冷快堆JSFR(1600MWe)屬第四代核能系統(tǒng)國際論壇 (GIF)提出的6種第四代堆型之一，其中就采用了基礎隔震技術，給經(jīng)濟性和安全性提供了有力的支持和保障。伴隨著隔震設計的技術發(fā)展，隔震器也得到了長足的發(fā)展。早先，更多使用帶機械阻尼器天然橡膠支座或鉛橡膠支座。最近更多地使用高阻尼天然橡膠隔震器。日本與德國最近研制出了使用壽命長達50～70年的隔震器。甘肅長實隔震器材有限公司甚至宣稱其隔震器的壽命能達到80年。

韓國所設計的第四代堆型KALIMER(600 MW，Korea Advanced Liquid Metal Reactor)也采用了基礎隔震設計技術。

3 國內(nèi)核電廠隔震設計現(xiàn)狀

隔震技術目前主要在民用建筑中研究和應用。

隔震設計在我國民用建筑中已經(jīng)非常廣泛，現(xiàn)有600多幢，數(shù)量僅次于日本，使用的省市有20多個，主要分布在西南、西北、華北等高烈度地震區(qū)。在鐵路、公路橋梁和石油化工設備大型儲油罐也有大量應用。

北京地鐵地面樞紐工程中采用了基礎隔震，在一個2000m×1500m的大隔震平臺上建造了48幢9層的隔震住宅樓，隔震建筑面積480000m2，是目前世界面積最大隔震建筑群。由于采用了隔震設計，地震反應降為原來的2/3，隔震設計使住宅面積增加近10萬 m (房屋從6層增加到9層)，增創(chuàng)直接產(chǎn)值2.億元。釣魚臺國賓館南面的“七部委聯(lián)合辦公大樓”采用了隔震技術。該建筑的減震隔震設計在廣州大學周福霖院士指導下，由中國國家地震局抗震設計研究所完成。汶川大地震時甘肅省隴南地區(qū)武都縣的地震烈度達到度，該縣采用了橡膠隔震支座的3幢6層磚混結構樓房卻完好無損，效果顯著，這也說明了隔震技術在民用建筑上的成功。

伴隨著隔震技術在我國民用建筑中的應用有關部門也制定了相關的標準和規(guī)范。《建筑抗震設計規(guī)范GB50011-2001》中明確了橡膠支座“隔震與消能減震設計”技術，標志著隔震消能減震技術在我國正式進入使用階段。與之配套，由中國工程建設標準化協(xié)會制定了《疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程CECS126－2001》。該規(guī)程適用于抗震設防烈度為6～9度地區(qū)房屋和橋梁結構的隔震設計與施工。對于抗震設防烈度大于9度的地區(qū)，亦可參照本規(guī)程執(zhí)行。該規(guī)程主要內(nèi)容包括隔震結構基本要求、房屋與橋梁結構隔震設計、隔震層部件的技術系能和構造要求、隔震結構的施工和維護等。2000年月住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布了適用于工業(yè)和民用建筑的行業(yè)標準《建筑隔震橡膠支座 JG118 2000》，該標準規(guī)定了建筑隔震橡膠支座的產(chǎn)品定義、分類要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志包裝、運輸和貯存。

國務院頒布的《國家防震減災規(guī)劃(2006～2020年)》中更是明確提出了“推進隔震等新技術在工程設計中的應用”，《地震科學技術發(fā)展規(guī)劃 (2006～2020年)》中也提出了“研發(fā)特殊場地結構隔振減震等抗震新技術”，這些都給隔震技術的發(fā)展提供了政策支持。

目前我國核工業(yè)界對隔震技術研究相對較少。中國核動力研究設計院對國內(nèi)某核電廠的基礎隔震進行了相關理論研究，并采用了國內(nèi)生產(chǎn)的隔震橡膠的相關性能參數(shù)進行了模擬分析，取得了一定理論成果。哈爾濱工程大學完成了《某核電站安全殼的隔震地震反應分析》。該論文基于設備隔震原理，用有限元軟件建立了橡膠隔震支座的仿真模型，并對隔震后的安全殼進行時程地震反應分析，檢驗了隔震效果，表明橡膠隔震技術可以有效地減小安全殼加速度、剪力等地震反應，但側位移響應相對傳統(tǒng)抗震設計的要大。這些理論和試驗方面的研究為隔震技術在我國核電廠中的應用奠定了一定基礎。

4 核電廠廠房基礎整體隔震的意義

4.1 保證廠房結構與內(nèi)部設施的安全性

采用基礎隔震技術能有效地保證核電廠在發(fā)生強震時結構本身免遭破壞，保持較高的安全性，保證其內(nèi)部各種設施的完好，使設備運行正常，并能做到在地震時人在建筑物中的正常生產(chǎn)和活動基本不中斷，從而大大降低操作人員在地震期間操作失誤的概率，以實現(xiàn)安全停堆，避免了由操作失誤引起的安全事故。同時，由于隔震技術使得上部結構和內(nèi)部設備的地震反應顯著降低，使其變形一般只發(fā)生在彈性區(qū)，在設計中降低了分析計算的復雜性。

GIF所提出的6種第四代堆堆型包括氣冷快堆(GFR)、鉛冷快堆(LFR)、熔鹽堆(MSR)、鈉冷快堆(SFR)、超臨界水堆(SCWR)和超高溫堆 (VHTR)。這些堆型相對于已經(jīng)比較成熟的壓水堆來說溫度均要高，快堆由于其作為核燃料封閉循環(huán)的重要一環(huán)將在世界各國核能發(fā)展中占有非常重要的地位。傳統(tǒng)的抗震設計一般較難同時滿足抗震和熱應力要求。抗震設計一般需要加大廠房或設備的強度與剛度 (一般增加結構或設備的厚度)，而厚度的增加一般會導致溫度的不均勻和更高的熱應力。因此，隔震技術對于高溫薄壁容器的快中子增殖堆和高溫堆的意義更為明顯。各核工業(yè)國正大力發(fā)展快堆技術，而快堆的抗震安全比之壓水堆更為嚴峻，對隔震技術的需要更為迫切。事實上，目前國際上已經(jīng)完成的核電廠基礎隔震設計較多地針對快堆或高溫堆。

4.2 支持核電廠的標準化和模塊化

由于采用了廠房基礎隔震技術，我們可以將核電廠廠房及廠房內(nèi)部結構和設施實現(xiàn)標準化和模塊化設計。對于不同廠址的核電廠，或者其他某些原因?qū)е碌卣鹪O計準則的改變，設計者僅需更新基礎的隔震設計，即可獲得滿足要求的設計新方案。

4.3 提高核電廠廠址的適應性

核電廠對廠址的要求非常高。我國屬于地震多發(fā)國家，地震帶分布也較廣，這給我國核電廠建設選址帶來了一定的困難。目前我國核電廠主要分布在東南沿海一帶地震設防烈度小且水源充足的區(qū)域。部分區(qū)域電力供應難以滿足當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的能源需求。如果采用隔震技術，可使基礎上部結構的加速度響應大大降低(約為采用傳統(tǒng)抗震方法的1/10～1/3)，使得在高烈度區(qū)建造核電廠成為可能，為核電廠廠址提供更多的選擇，也必將推動我國各區(qū)域的經(jīng)濟均衡發(fā)展。

另外，從我國核電技術的出口看，如果擬建廠址處于地震區(qū)甚至高烈度區(qū)，發(fā)展核電廠隔震技術，將大大增強我國核電技術的競爭力，使我國盡快躋身國際先進行列。

4.4 降低核電廠的總體成本

國內(nèi)對基礎隔震技術在民用建筑方面的研究已經(jīng)表明:在同等設防烈度下，基礎隔震技術的合理應用可以使被隔震建筑的工程造價與同條件只采用抗震設防的建筑工程造價成本適當降低 (約5%)，如果把建筑物本身震后的維修、內(nèi)部設施、儀器儀表的地震災害損失及建筑物功能中斷等帶來的損失考慮進去，那么隔震建筑的經(jīng)濟效益及社會效益更是無法衡量。

相比于民用建筑，隔震設計在核電廠中的應用將會帶來更為可觀的經(jīng)濟效益。由于隔震設計可使得核電廠設計標準化和模塊化，大大縮減了設備與管道支撐的抗震設計和驗證的時間，簡化設備與管道的安裝布置，這樣將大大縮短設計和建設周期，節(jié)省核電廠的設計與建造成本。

日本18個大公司6年計劃聯(lián)合研究(1985～1990年)表明:基底隔震用于輕水堆核電廠效果顯著，與常規(guī)抗震設計方案對比，混凝土、鋼筋用量各節(jié)約27%和23%，而對于置于廠房內(nèi)部的儀器設備的造價降低則更明顯。當然，隔震器的設計、建造、保養(yǎng)、檢修和維護和更換也必將增加一部分核電廠日常費用。目前的研究顯示，約增加整個經(jīng)費的5%左右。但隨著長壽命 (50～70年)的隔震器的研制成功，隔震技術必將給核電廠帶來巨大的經(jīng)濟效益。

5 在我國進行核電廠基礎隔震設計研究的構想

為推動廠房基礎隔震技術在我國核電廠設計中的應用，提出以下構想，希望能在近5年的時間內(nèi)完成:

(1)首先開展民用建筑隔震器和隔震設計方法對核電廠廠房基礎隔震的適用性研究。研究民用建筑基礎隔震設計規(guī)范，研究民用建筑常用隔震器的優(yōu)缺點及其主要的特性參數(shù)，比較民用建筑與核工業(yè)建筑的主要差別，完成相關對比分析。

(2)以國內(nèi)某核電廠廠房為例，進行假想的基礎隔震設計?？紤]到國內(nèi)外研究與應用現(xiàn)狀，考慮到相關參數(shù)的獲得的可能性，可以優(yōu)先考慮快堆 (如中國實驗快堆CEFR)或高溫堆 (清華大學HTGR-10)。選取該反應堆主廠房為研究對象，通過有限元數(shù)值分析得到其頻率特性，并以自由場地震輸入作為輸入，分析計算得到廠房各樓層的地震時程響應和各樓層的動力放大系數(shù)。在此基礎上，完成廠房樓層某重要設備 (如堆容器)的抗震分析，并將這些結果與不采用隔震時的動力特性進行比較，并結合已有的試驗結果和計算結果進行驗證，初步掌握隔震設計和分析方法，完成對該反應堆廠房的基礎隔震設計。

(3)開展隔震試驗，驗證核電廠廠房基礎隔震設計方案。按照隔震設計方案，制作縮比例模型，在抗震試驗臺上完成相關的試驗驗證，必要時對原設計方案進行修改，以獲得更合理的設計方案，并重新驗證。

(4)參考JEAG4614-2000規(guī)范，結合中國目前的工業(yè)水平和經(jīng)濟發(fā)展水平，結合基礎隔震在民用建筑中的實際應用，在核電廠基礎隔震研究與設計的基礎上，編寫出一套與我國國情相匹配的核電廠隔震設計規(guī)范，并逐步在核電建設中推廣應用。

6 結論

本文對隔震設計技術在國內(nèi)外核電廠中的研究與應用狀況進行了簡要介紹，論述了隔震技術在核電廠特別是快堆與高溫堆中應用的重要意義。在此基礎上，提出了在我國實行核電廠房基礎隔震設計的構想。

［1］Ch.Coladant.Seismic Isolation of Nuclear Power Plant-EDF Philosophy.1thInter.Seminar on Seismic Base Isolation fo Nuclear Power Facilities.San Francisco，1989

［2］T.Mazda.Test on Large-Scale Seismic Isolation Elements.11thIn ter.Conf.on Structural Mechanics in Reactor Technology.Tokyo 1991

［3］Takahiro，Shimada.Study on 3-D Dimensional Base Isolatio System Applying to New Type Power Plant Reactor:Part Hydraulic 3-Dimensional Base Isolation System.Proceedings o 18thInter.Confer.on Structural Mechanics in Reactor Tech nology.Beijing，2005

［4］J.M.Kelly.Shake Table Tests of Long Period Isolation Syste for Nuclear Facilities at Soft-Soil Sites.11thInter.Conf.o Structural Mechanics in Reactor Technology.Tokyo，1991

［5］J.M.Kelly.Seismic Base Isolation:A Review.2ndU.S National Conference on Earthquake Engineering.1979

［6］日本電氣協(xié)會原子能委員會.原子力發(fā)電所免震構造設計技術指針.2000

［7］孫磊，谷芳毓.核電廠基礎隔震分析.第九屆全國反應堆結構力學會議論文集.1996

［8］朱玉華，呂西林，施衛(wèi)星等.基礎隔震房屋模型振動臺試驗研究.地震工程與工程振動，2000(3)

［9］中華人民共和國建設部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規(guī)范.2001

［10］中國建筑標準設計研究院.建筑結構隔震構造詳圖.2003

［11］中華人民共和國建設部.建筑隔震橡膠支座.2000

［12］中國工程建設標準化協(xié)會.疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程.2001

［13］國家石油與化學工業(yè)局.石油浮放設備隔震設計標準.石油工業(yè)出版社，1999

［14］唐稼祥，劉再華.建筑結構基礎隔震.淑馨出版社，1997

［15］王振，沈笑飛，唐立強.基礎隔震高舉架儲油罐地震反應分析.東北林業(yè)大學學報，2006，34(6)

［16］周錫元，閻維明，楊潤林.建筑結構的隔震、減振和振動控制.建筑結構學報，2002，23(2)

［17］郭企劍，姜瑩，戰(zhàn)松海.應用基礎隔震技術的建筑工程造價分析.世界地震工程，2006(4)

Proposa l on Research and Design of Base Seism ic Iso lation for Nuclear Power Plant Buildings in China

WEN Jing1，SIGuojian1，SUN Zaozhan1，LIHailong2
(1Nuc lear and Radiation Safety Centre，MEP，Beijing 100082，China;2China Institute of Atom ic Energy，Beijing 102413，China)

The historical and current situation of research and application of seismic base isolation for the NPP buildings is described in brief.It shows that it is important and necessary for Chinese nuclear engineers to study on the seismic base isolation for NPP buildings.The proposal is given to research and design of base isolation system for nuclear power plant buildings in China.

NPP;building;seismic base isolation