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摘要：简要介绍了概念设计与常规设计的差别，强调了抗震概念设计的重要性，指出了抗震概念设计的基本思想和基本原则。对于核电站这种复杂结构体系的设计，要重视抗震概念设计，按照抗震概念设计的基本原则开展设计工作。针对核电站在地震中出现的一些问题，基于概念设计理论，提出了若干建议，包括合理布局、多道设防、强化连接、明确简图、重视非结构构件的抗震设计、隔震和消能减震设计等。
关键字：核电站、抗震设计、概念设计
1 抗震概念设计概述
1、1 关于概念设计
常规的结构设计是先由建筑专业或者工艺专业确定结构布局后，在若干假定的基础上把结构抽象为相应的计算模型，再根据作用在结构上的荷载去计算结构内力，然后依据内力值去进行截面强度校核、结构位移校核等。林同炎在《结构概念和体系》一书中首次提出了结构概念设计的思想。他认为概念设计是从结构受力合理性的整体概念出发，是直观的、概念的、整体的、系统的定性设计，依据力学基本原理去指导一个工程的设计，它是贯穿工程全过程、全系统的设计。因此，概念设计要从结构布局开始，而不是被动的接受一个既成事实的布局，把结构设计仅仅限于计算与校核。采取合理的、明确的传力途径，在合理的假定基础上建立符合实际的模型以及整体结构合理的耗能机制，使结构承载力最大化，而破坏时的损失最小化。
1．2概念设计对于抗震设计的重要意义
由上文可知，常规设计必须建立在若干假定的基础上，才能取得抽象的计算模型，以便进行下一步的结构计算。对于简单的结构体系，在已知荷载作用下，这种方法是可行的。但是，对于地震作用下的复杂结构体系的设计，它的可信度就会大大降低。
首先，地震运动有着难于把握的复杂性和不确定性，要准确预测建筑物未来可能遭遇地震的特性和参数，现有的科学技术水平难以做到。另一方面，在结构分析时，由于在结构几何模型、材料本构关系、结构阻尼变化、荷载作用取值等方面都存在较大的不确定性，计算结构和结构的实际反应之间也存在较大差距。在建筑抗震理论远未达到科学严密的情况下，单靠结构计算分析难以保证建筑具有良好的抗震能力。因此，对于复杂结构体系的抗震设计，必须进行抗震概念设计。
所谓抗震概念设计，是指人们根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的设计过程。抗震概念设计不是着眼于抽象的计算方法、计算模型、计算数值、计算结果，而是着眼于结构总体地震反应，从地震时的破坏机制、破坏过程出发，去调整结构设计方案的整体布局，使结构具有简捷清晰的传力路径、合理的耗能分配，以达到从根本上坚守地震响应，提高结构整体抗震性能，达到结构的地震响应成为可求解和预控的目的。
1.3核电站的抗震概念设计
在核电站发展历程中，由于地震或者操作失误造成的严重核事故，时刻提醒着我们要高度重视核电站设计的安全问题。过去的核电站抗震设计，往往十分重视技术方法的精确性，而对其概念设计问题却较少提及，如整体结构的合理布局、明确计算简图、清晰传力路径、加强连接多道设防、平面规划减少扭转、竖向连接避免突变、减轻自重减少响应、强化构造措施、消除薄弱环节、增加构件延性、防止突然破坏、避免整体倒塌等。这些原则不但在新设计中应该考虑，而且在对一些已建的核电站，为了提高抗震性能、减少事故损失而采取的加固改造工程时，也应该适当考虑。
总结历次地震灾害的经验和教训，一个共同的启示就是：要减轻建筑物的地震破坏，设计出一个合理、有效的抗震结构，需要各个专业的设计人员的共同努力、密切配合才行，仅仅依赖于结构设计人员的“计算分析”是不够的。对于核电站设计工作，由于涉及的专业多，工艺系统复杂，结构荷载种类较多等特点，往往更要依靠良好的抗震概念设计。在工程设计初期，各专业就要相互配合，把握好结构布置、结构体系、刚度分布、构件延性等主要方面，从根本上消除建筑结构中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，才有可能使设计的产品（建筑物）具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。
目前抗震概念设计问题越来越被国内外的业内专家重视，而且其理念早已被编入我国的建筑抗震设计规范。这里，我们仅根据以往对一般工业与民用建筑结构的抗震概念设计经验，提出以下若干建议供有关专业人员参考。
2 多道设防，强化连接
2.1合理设置多道防线
一次巨大地震产生的地面运动，能造成建筑物破坏的强震持续时间，少则几秒，多则几十秒，有时甚至更长（比如汶川地震的强震持续时间达到80秒以上）。如此长时间的震动，一个接一个的强脉冲对建筑物产生往复式的冲击，造成积累式的破坏。如果建筑物采取的是仅有一道防线的结构体系，一旦该防线破坏后，在后续地面运动的作用下，就会导致建筑物的倒塌。特别是当建筑物的自振周期与地震动卓越周期相近时，建筑物会由此而发生共振，更加速其倒塌进程。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，第一道防线的抗侧力构件破坏后，后备的第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震冲击，进而保证建筑物的最低限度安全，避免倒塌。在遇到建筑物基本周期与地震动卓越周期相近的情况时，多道防线就显示出其良好的抗震性能。当第一道防线因共振破坏后，第二道接替工作，建筑物的自振周期将出现大幅度变化，与地震动的卓越周期错开，避免出现持续的共振，从而减轻地震的破坏作用。因此，设置合理的多道防线，是提高建筑抗震能力、减轻地震破坏的必要手段。
对于核电站设计来说，安全壳结构作为防止放射性物质泄漏的最后一道屏障，对于核电站的安全具有极其重要的作用。同时，由于安全壳结构内部有重要的核反应堆设备，包括连接核燃料棒、控制棒的构件与设备。在地震作用下，安全壳结构产生的地震响应会激励它们，甚至还会产生放大效应，从而造成它们的移位和破坏，进一步影响核反应堆的运作，从内部破坏安全壳结构。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆前苏联的切尔诺贝利核电站事故，就是因为反应堆结构的底部被失控的过热的熔融物所破坏，从而造成周围环境的核污染。所以，要保证核电站的地震安全，不仅要考虑安全壳等土建结构的安全，更要考虑安全壳内部设备及工艺管道等的安全性和可靠性。为此在三代核电站的设计中，改变了原有安全壳的结构形式，对安全壳结构进行了多道设防，将安全壳结构做成双层结构，即将安全壳分为内壳和外壳，从整体上提高安全壳的抗震性能。
2.2强化连接设计，增加结构冗余度
对于抗震设计来说，防止建筑物倒塌是我们的最低目标，也是最重要和必须要得到保证的要求。因为只要建筑物不倒塌，破坏无论多么严重也不会造成大量的人员伤亡。而建筑物的倒塌往往都是结构构件破坏后致使结构体系变为机动体系的结果，因此，结构的冗余度（即超静定次数）越多，进入倒塌的过程就越长。
从能量耗散角度看，在一定地震强度和场地条件下，输入结构的地震能量大体上是一定的。在地震作用下，结构上每出现一个塑性铰，即可吸收和耗散一定数量的地震能量。在整个结构变成机动体系之前，能够出现的塑性铰越多，耗散的地震输入能量就越多，就更能经受住较强地震而不倒塌。从这个意义上来说，结构冗余度越多，抗震安全度就越高。
另外，从结构传力路径上看，超静定结构要明显优于静定结构。对于静定的结构体系，其传递水平地震作用的路径是单一的，一旦其中的某一根杆件或局部节点发生破坏，整个结构就会因为传力路径的中断而失效。而超静定结构的情况就好得多，结构在超负荷状态工作时，破坏首先发生在赘余杆件上，地震作用还可以通过其他途径传至基础，其后果仅仅是降低了结构的超静定次数，但换来的却是一定数量地震能量的耗散，而整个结构体系仍然是稳定的、完整的，并且具有一定的抗震能力。因此，一个好的抗震结构体系，一定要从抗震概念设计的角度去把握，保证其具有足够多的冗余度。
对于核电站设计而言，在结构设计中，除了关注构件本身的设计外，也要强化连接设计，增加结构的冗余度。除此之外，对于安全壳结构内部的反应堆内控制棒、燃料棒组件等的结构，建议做成超静定结构，有关组件做成多点连接形式，从而提高结构的整体抗震能力。
3 明确计算简图，合理确定布局
在抗震概念设计过程中，要对建筑结构的抗震体系进行合理的选取，良好的抗震结构体系要求受力明确、传力合理且传力路径不间断，使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现。同时，结构计算简图必须符合实际情况，这是正确合理的设计的前提，否则再精确的计算也毫无意义。由于核电站的结构、工艺和设备布置十分复杂，很难用一个明确的简图表示，而且有时也很难区分所谓主结构与子结构，这时为了得到明确合理的计算简图，必须对结构、工艺和设备的布置进行整体调整，或者进行合理分割。使它们能够抽象为明确合理的计算简图，为后续的结构设计创造有利条件。在实际设计中，可以通过采取分割结构体系、强化主结构，弱化次结构、调整设备布局，减少地震响应等方式，以明确设计简图，合理确定布局，从而提高整个结构的抗震性能。
4重视非结构构件的抗震设计
在历次地震中，都可以发现大量的非结构构件破坏现象，虽然有一些非结构构件的破坏没有造成主体结构的进一步损伤，但是也导致了大量的经济财产损失，甚至造成社会恐慌情绪。另外，也可以发现大量因非结构构件处置不当而导致主体结构破坏甚至倒塌的现象。因此，妥善处理非结构构件也是抗震设计的主要内容之一。对于非结构构件的抗震设计，可根据不同情况区别对待：1）做好细部构造，让非结构构件成为抗震结构的一部分，在计算分析时，充分考虑非结构构件的质量、刚度、强度和变形能力。2）在构造做法上防止非结构构件参与工作，抗震计算时只考虑其质量，不考虑其强度和刚度。3）防止非结构构件在地震作用下出平面倒塌。4）对装饰要求高的建筑选用适合的抗震结构形式，主体结构要具有足够的刚度，以减少主体结构的变形量，使之符合规范要求，避免装饰破坏。5）加强建筑附属机电设备支架与主体结构的连接和锚固，尽量避免发生次生灾害。
5 隔震和消能减震设计
对未来的地震，我们虽然还无法准确预测和量化计算，但是如何减少地震作用的影响是可以人为控制的，这就是采用结构控制技术。当前对地震的主动控制技术还处于研究试验阶段，但是地震的被动控制技术的应用已经比较成熟，比如基底隔振技术、消能减震技术等。利用隔震技术改变结构的动力特性，减少地震能量的输入，减少结构的地震反应，以达到防震的目的。通过消能、减震技术消散或吸收地震输入结构中的能量，以减少主体结构的地震反应，从而避免主体结构产生破坏或倒塌，达到减震抗震的目的。具体工程应用中，可以在管道的连接点处设置阻尼器，在主要设备基础垫板下部设置隔振垫等。从当前我国核电站抗震基本理论及设计规范应用情况来看，采用直接减少地震响应的结构控制技术，无疑是一个很好的选择。同时，对已经建成的核电站结构与设施的抗震加固设计，也可采取施加阻尼器的方法，以提高结构的整体抗震性能。
结语：随着社会经济的发展，全社会对于电力的需求将不断增加，作为主要的清洁能源，核电建设将迎来更大的发展，社会公众对核电站的安全问题也会更加关注，这对于我们核电工程设计提出了更高的要求。在核电站结构设计中，要重视抗震概念设计，运用抗震概念设计方法，调整结构设计方案的整体布局，使结构具有简捷清晰的传力路径、合理的耗能分配，提高结构的整体抗震性能。当然，强调抗震概念设计的重要并不是说结构计算就不重要，计算结果的满足是结构安全的保证。我们强调抗震概念设计，是为了让建筑结构更合理、更有效地抵抗地震作用。随着核电技术的发展，核电设计理论和方法也在不断进步，相信会有更多的创新和发展应用于核电站结构设计中。
参考文献
[1]林同炎，斯多台斯伯利，结构概念和体系[M]，中国建筑工业出版社，1999.01
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[3]赵菲，陈超核，黄利，抗震概念设计在高烈度结构体系中的应用[J]，海南大学学报自然科学版，29（3）：242-245,2011.09
[4]建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）[S]，主编部门：中华人民共和国住房和城乡建设部，实行日期：2010年12月1日
论文作者:刘磊
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第8期
论文发表时间:2017/10/9
标签：结构论文; 核电站论文; 概念论文; 构件论文; 建筑物论文; 体系论文; 简图论文; 《建筑科技》2017年第8期论文;