高温气冷堆核电站 (HTR-PM) 厂址位于山东半岛东海岸威海市所辖荣成市境内, 地处石岛管理区宁津所街道办事处东南海滨, 东侧濒临黄海, 厂址中心位置的地理坐标为东经122°30', 北纬36°58', 北距荣成市约20km, 西南距石岛约14km, 西北距威海市约68km、烟台市约120km, 西南距青岛市约185km, 八河水库位于厂址西北约10km处, 见图1。

　　 整个电站由反应堆、一回路系统、专设安全设施、仪表与控制系统、电力系统、辅助系统、蒸汽电力转换系统、放射性废物处理系统、辐射防护系统等系统组成。反应堆系统包含两个10万k W反应堆模块, 每个模块由一台反应堆和一台蒸发器组成, 每一座反应堆的热功率为250MW, 两个反应堆系统共同向一台蒸汽透平汽轮机组提供高参数过热蒸汽, 发电功率为20万k W。两个反应堆模块布置在同一个反应堆厂房内。

　　 反应堆厂房长43.8m, 宽33.5m, 高62.6m, 结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构。为了适应吊车的功能要求, 内部墙体均伸至28.05m标高结束, 仅四周1m厚的钢筋混凝土墙体向上伸至44.1m标高屋顶, 从而在顶层形成一个大跨度的检修大厅, 顶层层高为16m, 内设一台额定起重量为100t桥式吊车, 反应堆厂房屋盖厂房屋面采用新型单侧钢板混凝土 (HSC) 空心组合楼盖的结构设计方案。屋盖钢结构部分如图2所示。

　　 反应堆厂房结构分级为核安全相关级^[1], 质保等级QA1, 抗震类别为抗震I类, 整个厂房抗震设计加速度取值:运行安全地震动 (SL-1) 的水平地面加速度峰值为0.10g;极限安全地震动 (SL-2) 的水平地面加速度峰值为0.20g;地震动的竖向地面加速度峰值取水平加速度峰值的2/3^[2]。反应谱采用石岛湾核电厂厂址谱;风荷载采用百年一遇极大风速计算, 风速为49.6m/s。龙卷风采用富士达F3级龙卷风计算, 最大风速为75m/s, 最大大气压降4.03k Pa。屋面雪荷载采用百年一遇雪压计算, 基本雪压为1.54k Pa。屋面外部冲击波荷载采用三角形超压入射波, 最大超压5k Pa。

　　 华能山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程是具有我国自主知识产权的第一座高温气冷堆商用示范电站。反应堆厂房作为一回路堆舱的功能区, 其安全功能非常重要, 施工质量要求也很高。如采用传统混凝土结构屋盖设计将面临以下几方面问题:

　　 (1) 一回路系统的重要设备———蒸汽发生器延迟交货, 蒸汽发生器与压力容器不能同时到货, 因此工艺专业要求在反应堆厂房的屋面预留两个7.0m×7.0m左右的吊装孔, 传统钢筋混凝土结构屋盖设计连接复杂, 并且在施工时需搭设满堂脚手架, 很难保证屋盖结构整体性以及工艺安装时所要求的安装空间及环境清洁要求。

　　 (2) 传统混凝土结构屋盖土建施工与蒸汽发生器安装需要交叉作业, 这势必导致施工周期很长。而传统钢筋混凝土方案屋盖施工处在项目工期关键路径上, 是制约HTR-PM土建总施工周期的瓶颈。

　　 (3) 考虑到蒸汽发生器在役期内更换的可能, 需要考虑屋盖临时开洞问题, 传统钢筋混凝土结构洞口加固处理难度大, 费用高。

　　 综合考虑上述方面原因, 在设计中采用单侧钢板混凝土 (HSC) 空心楼盖结构, 可根据蒸发器吊装口的位置进行灵活布置, 以实现屋面预留较大洞口、施工便捷且结构整体性好的目的, 减少安装与土建施工的相互影响, 缩短现场施工工期, 加快整个工程的进度。同时单侧钢板空心楼盖结构可减少施工人员大量高空作业, 极大改善了工作环境, 避免了安全事故的发生;同时, 由于采用模块化设计建造安装技术, 更有利于保证工程质量, 既满足了工艺专业的要求, 又可确保施工的安全和经济效益。

　　 反应堆厂房屋盖平面尺寸长43.8m, 宽33.5m, 屋盖厚度2m, 结构顶标高44.1m, 屋盖采用单侧钢板混凝土空心组合板结构。屋盖由组合工字钢、钢筋、混凝土、永久模板材料组成。在屋盖底部钢板上现浇混凝土, 钢板上布置栓钉及加劲肋, 钢板与混凝土形成整体共同抵抗荷载, 混凝土翼缘、腹板中均配置适量钢筋, 如图3、图4所示。屋盖支承在四周1 000mm厚的钢筋混凝土墙体上, 屋盖平面内设置水平支撑, 由背靠背角钢组成, 沿梁长每隔5.4m设置一道, 保证屋盖钢骨在施工阶段平面外稳定。

　　 屋盖采用单侧钢板混凝土空心组合板结构, 其标准断面下翼缘厚为200mm, 腹板厚600mm, 上翼缘厚400mm, 腹板间距1 800mm, 配筋如图5所示。

　　 屋盖中工字形钢骨梁上下翼缘及翼缘厚度均为28mm, 上翼缘宽度为600mm, 下翼缘宽度为1 800mm, 梁高为1 800mm, 如图6所示。钢板与混凝土通过栓钉保证共同作用, 栓钉采用19@300×300, 栓钉长度为130mm。钢骨梁与支撑墙体采用钢牛腿连接, 牛腿高750mm, 宽450mm, 如图7所示。设置4道侧向支撑, 采用等边角钢180×12背对背填板焊接形式, 截面尺寸如图8所示。

　　 (1) 强度控制

　　 构件强度应满足规范^[3]承载能力极限状态的要求。

　　 (2) 挠度控制

　　 单侧钢板混凝土空心组合板施工时, 混凝土硬化前的材料重量和施工荷载应由钢骨梁承受。根据《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[4] (简称钢规) 验算其变形, 挠度不超过l₀/400。

　　 (1) 强度控制

　　 构件强度应满足规范^[3]承载能力极限状态的要求。

　　 (2) 挠度控制

　　 计算单侧钢板混凝土空心组合板挠度和负弯矩区裂缝宽度时应考虑施工方法和工序的影响。计算单侧钢板混凝土空心组合板挠度时, 应将施工阶段的挠度和使用阶段附加荷载产生的挠度相叠加。计算单侧钢板混凝土空心组合板负弯矩裂缝宽度时, 仅考虑形成组合截面后产生的支座负弯矩值。

　　 单侧钢板混凝土空心组合板应验算裂缝宽度, 最大裂缝宽度应按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合的影响进行计算, 不超过0.2mm。

　　 单侧钢板混凝土空心组合板在正常使用极限状态下的挠度计算采用荷载标准组合并考虑荷载长期作用的影响, 挠度为混凝土硬化前材料及施工荷载标准组合引起的钢结构挠度与混凝土硬化后后续荷载标准组合引起的组合结构挠度之和。

　　 混凝土硬化前, 自重及施工荷载标准组合引起挠度采用结构力学方法, 并按照钢规中有关钢结构变形计算的要求进行计算, 挠度值应扣除起拱度。

　　 混凝土硬化后组合结构因后续荷载标准组合引起的挠度按照结构力学方法进行计算, 在等截面构件中, 可假定各同号弯矩区段内的刚度相等, 并取用该区段内最大弯矩处的刚度。

　　 组合结构受弯构件的挠度应按荷载标准效应组合并考虑荷载长期效应组合影响的长期刚度B_l进行计算, 其荷载短期效应和长期效应组合作用下正弯矩区的短期刚度为B_s和长期刚度为B_l, 所求得的挠度计算值不应大于l₀/400。

　　 (3) 延性控制

　　 连接焊缝脆性开裂破坏滞后于杆件屈服, 杆件剪切破坏滞后于杆件压屈或拉屈。

　　 (4) 抗震性能控制

　　 结构主体在遭遇SL-2级地震时, 结构基本处于完全弹性阶段, 允许局部出现塑性;结构主体在遭遇SL-1级地震时, 结构处于完全弹性阶段。

　　 钢结构模块沿着钢骨梁长度方向采用预起拱办法减小结构挠度, 预拱值为60mm。模块划分见图9, 共分三种:第一种模块为3根工字形钢骨梁, 尺寸为5.2m×33m×2m, 重约100t;第二种模块为9根工字形钢骨梁, 尺寸为15m×33m×2m, 重约300t;第三种模块为4根工字形钢骨梁, 尺寸为9 m×33 m×2 m, 重约150 t。模块吊装见图10, 先吊装舱室左右两侧的模块1、模块2以及舱室之间的模块3, 再吊装屋盖临时围护结构, 待蒸汽发生器吊装完毕后, 再吊装舱室顶部的模块4和模块5。屋盖结构施工顺序:先安装两侧钢牛腿 (1) ;待墙体混凝土强度达到设计强度时吊装模块 (模块1~3) 钢骨 (2) ;安装临时围护结构 (3) ;绑扎模块1~3底板钢筋并浇筑混凝土 (4) ;绑扎两侧模块 (模块1, 2) 腹板及顶板钢筋及模块浇筑混凝土 (5) ;待两侧模块顶板及腹板混凝土达到设计强度75%时, 绑扎模块3腹板及顶板的钢筋及模块并浇筑混凝土 (6) ;待蒸汽发生器吊装完毕后, 拆除临时维护系统, 吊装模块 (模块4, 5) 钢骨 (8) , 并将其与两侧模块底部钢板连接成整体;绑扎模块 (模块4, 5) 的底板钢筋并浇筑混凝土;待底板混凝土强度达到一定值时绑扎腹板及顶板钢筋及模块并浇筑此区域的混凝土 (9) 。

　　 非对称工字形钢梁铰接于○1-F/○1-K轴的墙体钢牛腿上, 为单跨简支梁结构, 如图11所示, 承受自重、施工阶段的混凝土及翼缘处的钢筋及模板材料的重量。用施工阶段分析结果作为钢梁截面及钢牛腿承载力设计依据。

　　 (1) 单榀框架模型

　　 反应堆厂房沿X轴方向长度较长, 不考虑厂房空间整体作用, 取1.8m为一个平面计算单元作为分析模型, 墙体取1.8m宽壳单元, 屋盖取1.8m宽工字形钢骨混凝土组合截面, 模型标高取28.05~44.10m, 在28.05m标高处嵌固, 如图12所示。地震反应谱取厂房37.00m标高处楼层谱进行输入, 组合梁自重产生的内力与变形已在施工阶段通过钢牛腿传给墙体, 屋盖上建筑面层恒载及活载产生的内力及变形, 以及屋盖在地震作用下产生的内力, 通过屋盖与墙体的固接连接传给墙体。采用SAP2000进行结构计算分析, 分析结果作为墙体承载力、墙体稳定性、屋盖系统Y向承载力及各构件变形的结构设计依据。

　　 (2) 空间整体模型

　　 以28.05~44.1m之间结构受力体系建立空间分析模型, 墙体及楼盖均采用壳单元模拟, 在28.05m标高处嵌固, 地震反应谱取厂房37.00m标高处楼层谱进行输入, 考虑屋盖混凝土板在各方向上的空间作用, 如图13所示。分析结果作为屋盖混凝土板X向承载力及变形的结构设计依据, 同时作为墙体承载力、墙体稳定性补充验算的依据。

　　 (1) 反应谱:运行安全地震动下、极限安全地震动下三方向地震反应谱分别如图14, 15所示。

　　 (2) 阵风风荷载:采用厂址地坪10m高度百年一遇3s平均最大风速49.6m/s。

　　 (3) 龙卷风荷载:采用富士达F3级龙卷风, 最大风速75m/s, 最大大气压降4.03k Pa。

　　 (4) 冲击波荷载:冲击波采用三角形入射波表示, 最大超压为5k Pa, 持续时间为300ms。

　　 (5) 雪荷载:采用百年一遇雪荷载, 荷载值为0.94k N/m², 雪荷载不与活荷载同时考虑, 组合系数按《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[5]的规定选用。

　　 (6) 屋面活荷载取2k N/m²。

　　 (7) 施工期间活荷载取5k N/m²。

　　 (8) 荷载效应组合

　　 1) 施工阶段分析工况

　　 恒载:钢骨自重, 永久模板自重, 钢筋及混凝土自重;活载:施工活载;承载力极限状态下荷载效应组合:S=1.2D+1.4L。正常使用极限状态下荷载效应组合:S=D+L。

　　 2) 正常使用阶段结构分析工况

　　 承载力极限状态结构分析工况和荷载组合如表1所示。正常使用极限状态验算的荷载效应组合如下:S1=D+L+E1, S4=D+L+E2。

　　 混凝土采用C35, 钢板为Q345B。截面刚度采用等效截面刚度, 即将钢板等效为混凝土后计算截面刚度。抗震计算中, 运行安全地震动作用下 (SL-1) (OBE) 结构阻尼比取4%;极限安全地震动作用下 (SL-2) (SSE) 结构阻尼比取6%。

　　 工字形钢骨梁荷载作用效应组合设计值:跨中控制截面M=11 583k N·m, 支座控制截面V=1 445k N, 跨中挠度30mm。

　　 工字形的型钢混凝土梁荷载作用效应组合设计值:跨中控制截面M=21 000k N·m, V=316k N;支座控制截面M=5 320k N·m, V=1 659k N。墙体内力设计值如表2和表3所示。

　　 为了验证工程设计的可靠性, 委托北京工业大学对该屋盖进行了试验验证, 试验试件为1∶3缩尺比例模型, 试件长度为12 000m, 高度为667mm, 宽度为600mm, 其主要设计参数如图16所示, 材料基本物理力学参数如表4所示。

　　 试验采用单调加载方式, 在加载过程中, 试验构件在纯弯段内发生受弯破坏, 受力过程可以分为弹性 (OA段) 和弹塑性 (AB段) 两个阶段, 整个试验构件的荷载-挠度关系曲线如图17所示。

　　 构件的正截面受弯承载力采用《型钢混凝土组合结构技术规程》 (JGJ 138—2001) ^[6] (简称组合规程) 中关于实腹式型钢混凝土框架梁正截面受弯承载力计算公式。计算的理论值与试验值的对比如表5所示, 两者相差仅为2.23%, 因此该构件正截面受弯承载力采用组合规程中关于实腹式型钢混凝土框架梁正截面受弯公式是合适的。

　　 构件的截面短期刚度取值采用组合规程, 实腹式型钢混凝土框架梁, 荷载短期效应组合作用下的短期刚度B_s, 其计算与试验结果对比如表5所示, 由表5可知, 梁的短期刚度试验值与理论值吻合度较好, 因此可以采用该刚度作为构件截面的短期刚度。

　　 (1) 从结构分析结果表明, 空心组合屋盖的采用减轻了屋盖自重, 优化了结构受力, 反应堆厂房屋盖的结构方案是可行的, 能够满足规范要求, 达到预期的结构性能目标。

　　 (2) 屋盖模型结构试验表明, 采用组合规程中的结构强度及短期刚度计算公式是适宜的。

　　 (3) 本方案避免了屋盖与反应堆厂房内部主设备安装的交叉作业, 将屋盖土建施工从核岛建安关键路径解脱出来, 大大节省了工程建设安装工期, 节约工期至少3个月以上。

　　 (4) 本方案结构施工目前完成, 为反应堆一回路安装清洁区的建立创造了条件, 取得了良好的工程效益。