核設(shè)施抗震設(shè)計中的設(shè)計地震反應(yīng)譜

潘蓉

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

核設(shè)施抗震設(shè)計中的設(shè)計地震反應(yīng)譜

潘蓉

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

對于除核電廠以外的其他核設(shè)施，國際原子能機構(gòu)的技術(shù)文件中推薦使用一組適用于不同場地情況的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜。通過研究分析其特點，并將GB50011－2010規(guī)范中推薦的設(shè)計反應(yīng)譜與其他核設(shè)施反應(yīng)譜相對比，為核設(shè)施設(shè)計中適當(dāng)選擇設(shè)計反應(yīng)譜提供參考。

其他核設(shè)施;設(shè)計地震反應(yīng)譜;外部事件分類

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，日常的生產(chǎn)生活對于電力的需求日益增長。從發(fā)展清潔能源的角度出發(fā)，我國正在規(guī)劃建設(shè)更多的核電站以及與之配套的其他核設(shè)施。由于核電廠和其他核設(shè)施中包含有放射性物質(zhì)，對社會和環(huán)境具有潛在的安全影響。因此，核電廠中建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計要考慮比常規(guī)建筑物更高的安全裕度，而對于其他核設(shè)施也要依據(jù)其固有的安全特性采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以保證合理的安全裕度。過去，人們一般比較關(guān)注核電廠的安全，為核電廠的抗震設(shè)計編制了一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而對于除核電廠以外的其他核設(shè)施的抗震設(shè)計沒有專門的規(guī)范可以依據(jù)，經(jīng)常采用民用規(guī)范進行設(shè)計?！?12汶川地震”給四川省核設(shè)施帶來了前所未有的威脅，也提醒我們在今后的核設(shè)施設(shè)計中應(yīng)針對核設(shè)施的特點，適當(dāng)?shù)貙ζ淇拐鹪O(shè)計予以考慮，以保證核設(shè)施有足夠的能力抵御地震的危害，從而保證人員和環(huán)境的安全。

下文結(jié)合其他核設(shè)施的特點，將國際原子能機構(gòu)推薦的核設(shè)施設(shè)計地震反應(yīng)譜與用于核電廠設(shè)計的反應(yīng)譜及我國“建筑物抗震設(shè)計規(guī)范”的設(shè)計反應(yīng)譜進行對比，以對核設(shè)施的抗震設(shè)計起到幫助作用。

1 國際原子能機構(gòu)推薦的用于其他核設(shè)施設(shè)計的設(shè)計地震反應(yīng)譜

1.1 其他核設(shè)施的特點

除核電廠以外其他核設(shè)施具有以下特點：

(1)與核電廠相比，其項目投資相對有限，用于廠址勘察的費用也不像核電廠那么充裕，因此廠址調(diào)查的范圍不可能像核電廠那么大;

(2)與常規(guī)設(shè)施相比，其他核設(shè)施中包含有放射性物質(zhì)，對公眾和環(huán)境具有潛在的威脅;

(3)其他核設(shè)施種類較多、涉及的范圍較廣，各種設(shè)施的安全特性相差較大。

由于其他核設(shè)施具有上述特點，在國際原子能機構(gòu)2003年頒布的技術(shù)文件TECDOC 1347“Consideration of External Events in The Design of Nuclear Facilities Other than Nuclear Power Plants，with Emphasis on Earthquakes”［3］中，推薦采用保守與簡化的方法進行其他核設(shè)施的抗震設(shè)計，從而使設(shè)計達到經(jīng)濟性與安全性的統(tǒng)一。

1.2 其他核設(shè)施的抗震設(shè)計方法

考慮到其他核設(shè)施種類的多樣性，對其抗震設(shè)計設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進行統(tǒng)一的規(guī)定存在一定的困難。因此，在該技術(shù)文件中，采用對設(shè)施分級、物項分類的方法確定其抗震設(shè)計設(shè)防要求。具體的分級設(shè)計過程包括：

(1)依據(jù)設(shè)施的放射性儲量進行設(shè)施風(fēng)險分級;

(2)根據(jù)設(shè)施中具體物項在安全上的重要性，對物項進行“抗外部事件分類”;

(3)依據(jù)以上劃分的設(shè)施風(fēng)險等級和物項的抗外部事件分類確定物項的設(shè)計等級，最終對不同的設(shè)計等級采用不同的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。表1為設(shè)施分級、物項分類與設(shè)計分級的關(guān)系。

表1 為設(shè)施分級、物項分類與設(shè)計分級的關(guān)系［3］

物項的設(shè)計等級共分為4級，設(shè)計1級的物項按核電廠的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計;設(shè)計4級的物項按民用抗震規(guī)范進行設(shè)計;設(shè)計2級與設(shè)計3級物項按技術(shù)文件提出的設(shè)計要求，采用不同的延性系數(shù)進行設(shè)計。

核設(shè)施中物項的設(shè)計等級確定之后，其設(shè)計中考慮的地震水平就可以確定。不同設(shè)計等級考慮的地震事件平均超越概率見表2。

表2 核設(shè)施不同設(shè)計級別物項考慮的地震事件的超越概率［3］

1.3 其他核設(shè)施設(shè)計反應(yīng)譜的提出

如表2所示，設(shè)計等級為1級的核設(shè)施，其設(shè)計基準(zhǔn)地震要依據(jù)核電廠選址中的相應(yīng)要求予以確定。TECDOC 1347中推薦了用于2級及2級以下設(shè)施的設(shè)計基準(zhǔn)評價要求。

其他核設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜引用的是日本“高壓石油天然氣生產(chǎn)設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范”中的設(shè)計反應(yīng)譜，該規(guī)范是由東京大學(xué)地震研究中心于1981年編制。據(jù)負(fù)責(zé)編制工作的專家介紹，在該規(guī)范編制的同時，地震研究中心也參與了日本“建筑物設(shè)計規(guī)范”的審查。“建筑物設(shè)計規(guī)范”中的設(shè)計反應(yīng)譜是基于日本建設(shè)省咨詢委員會的研究成果提出的，主要用于除高層建筑以外的普通建筑物。東京大學(xué)地震研究中心將該反應(yīng)譜引用于“高壓石油氣生產(chǎn)設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范”并作了局部調(diào)整。在1991年出版的JEAG4601“核電廠抗震設(shè)計技術(shù)指南”中，對于核電廠B、C級設(shè)施的設(shè)計，引用了“高壓石油氣生產(chǎn)設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范”該部分內(nèi)容。也就是說，該設(shè)計反應(yīng)譜在日本也用于核電廠B、C級設(shè)施的抗震設(shè)計。

1.4 其他核設(shè)施設(shè)計反應(yīng)譜的形狀

技術(shù)文件推薦的設(shè)計反應(yīng)譜是針對于3種地震烈度水平和3種場地土情況提出的水平地震反應(yīng)譜。烈度水平1對應(yīng)于小于8度的情況;烈度水平2對應(yīng)于大于等于8度小于9度的情況;烈度水平3對應(yīng)于大于等于9度的情況 (見表3)。場地土情況依據(jù)剪切波速劃分，具體情況見表4。反應(yīng)譜基本形狀適用于5%阻尼比，對于其他阻尼比技術(shù)文件給出了調(diào)整系數(shù)。圖1、圖2分別為技術(shù)文件中給出的烈度水平1、2的設(shè)計反應(yīng)譜和烈度水平3的設(shè)計反應(yīng)譜。

表3 確定最小自由場設(shè)計加速度［2］

表4 場地土類型［2］

圖1 TECDOC 1347烈度水平1、2的設(shè)計反應(yīng)譜

圖2 TECDOC 1347烈度水平3的設(shè)計反應(yīng)譜

從圖2、圖3中可以看出，在相同的烈度水平下，隨著場地土剪切波速的增加，反應(yīng)譜的峰值有所提高，峰值所在頻段也隨場地土剪切波速的增加向高頻方向移動。

1.5 TECDOC 1347設(shè)計反應(yīng)譜與RG1.60反應(yīng)譜［1］的比較

由于RG1.60反應(yīng)譜是基于堅硬場地提出的，所以將TECDOC 1347用于1類場地土的設(shè)計反應(yīng)譜與5%阻尼比的RG1.60反應(yīng)譜進行比較，見圖3。

比較發(fā)現(xiàn)，RG1.60反應(yīng)譜在大部分頻段可以包絡(luò) TECDOC 1347設(shè)計反應(yīng)譜，只在10Hz拐點附近的頻段TECDOC 1347設(shè)計反應(yīng)譜有局部超出。在設(shè)計地震加速度水平較小時(烈度水平1、2，加速度小于等于 0.2g)， TECDOC 1347設(shè)計反應(yīng)譜峰值頻段較窄;在設(shè)計地震加速度水平較高時 (烈度水平3，加速度等于0.4g)，TECDOC 1347設(shè)計反應(yīng)譜與RG1.60反應(yīng)譜比較接近。

圖3 RG1.60反應(yīng)譜與TECDOC 1347反應(yīng)譜的比較

2 我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011－2010［3］推薦的設(shè)計反應(yīng)譜

在其他核設(shè)施的抗震設(shè)計中，經(jīng)常采用對于安全上重要的結(jié)構(gòu)采用民用抗震設(shè)計規(guī)范的設(shè)防烈度提高1度設(shè)防的方法進行設(shè)計。這種方法對于設(shè)計院來說應(yīng)用起來比較方便，下面通過分析比較說明這種方法的保守性。

2.1 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計基本地震

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》采用“三水準(zhǔn)”設(shè)防：小震不壞、中震可修、大震不倒。其中，小震是指50年超越概率為63%的多遇地震(重現(xiàn)周期50年);中震為50年超越概率為63%的基本地震 (重現(xiàn)周期475年);大震為50年超越概率為2% ～3%的罕遇地震 (重現(xiàn)周期1642～2475年)。用烈度來衡量，多遇地震即眾值烈度比基本烈度低1.55度，而大震烈度比基本烈度高1度。

在設(shè)計中通過以多遇地震輸入下結(jié)構(gòu)保持彈性性狀以實現(xiàn)“小震不壞”;通過關(guān)鍵部位的局部加強和構(gòu)造措施實現(xiàn)“中震可修”;對于重要建筑物通過進行罕遇地震下薄弱層驗算保證“大震不倒”，進而實現(xiàn)三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)。

由此可見，常規(guī)建筑物抗震分析所輸入的地震動與核電廠抗震I類構(gòu)筑物的輸入地震動差異很大：常規(guī)建筑物彈性階段分析中輸入的是50年一遇的地震動;倒塌驗算中輸入的是約2000年一遇的地震動，而核設(shè)施1級構(gòu)筑物準(zhǔn)彈性階段分析中輸入的是10000年一遇的地震動;2級核設(shè)施構(gòu)筑物分析中輸入的是2000年一遇的地震動，允許結(jié)構(gòu)進入部分非線性;3級核設(shè)施構(gòu)筑物抗倒塌分析中輸入的是1000年一遇的地震動;4級核設(shè)施構(gòu)筑物分析中輸入的是約500年一遇的地震動，可按常規(guī)建筑物方法考慮。為了使上述表述更清晰，特列出各種建筑物的設(shè)計要求見表5。

表5 常規(guī)建筑物與各級核設(shè)施構(gòu)筑物的抗震分析要求對照表

應(yīng)說明的是，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的提高1度設(shè)計對于甲類建筑物和乙類建筑物的要求是不同的：甲類建筑物考慮的地震作用高于本地區(qū)基本烈度，取值按批準(zhǔn)的地震安全性評價結(jié)果確定，而抗震措施提高1度;乙類建筑物考慮的地震作用符合本地區(qū)基本烈度，抗震措施提高1度。因此，可以理解為：甲類建筑物為完全的提高1度;乙類建筑物只是構(gòu)造上提高1度。從上述分析可以進一步確定：地震作用提高1度進行設(shè)計可保證建筑物在不小于500年一遇的地震作用下處于彈性狀態(tài);在2000年一遇的地震作用下局部進入非線性。

2.2 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計反應(yīng)譜

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的設(shè)計地震動是用地震影響系數(shù)α曲線給出的，是以g為單位的反應(yīng)譜。規(guī)范給出了不同阻尼比ζ的α譜曲線，如圖4所示。

影響α譜曲線的兩個重要參數(shù)是地震影響系數(shù)最大值αmax和特征周期Tg。其中，地震影響系數(shù)最大值αmax依據(jù)設(shè)防烈度確定;特征周期Tg依據(jù)場地條件和地震分組情況確定，反映了場地條件和近、中、遠地震的影響，也在一定程度上反映了震級的影響。

圖4 地震影響系數(shù)曲線［3］

2.3 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計反應(yīng)譜與TECDOC 1347設(shè)計反應(yīng)譜的比較

要將《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計反應(yīng)譜與TECDOC 1347設(shè)計反應(yīng)譜進行比較，必須找出同等條件下的反應(yīng)譜進行比較?？紤]到影響《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計反應(yīng)譜的因素主要是地震分組和場地類型，因此從這兩個方面確定用于比較的反應(yīng)譜。首先，對于地震分組：考慮到TECDOC 1347技術(shù)文件中考慮的地震為將廠址周圍一定范圍的最大觀測地震假定放到廠址上，所以《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的地震分組相應(yīng)的取第1組;對于場地土的劃分《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》與TECDOC 1347技術(shù)文件中的場地土劃分布并不完全對應(yīng)：《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的1類場地土為剪切波速大于500m/s的堅硬土或基巖;TECDOC 1347技術(shù)文件中的1類場地土為剪切波速大于1100m/s的硬持力層 (見表2)，兩者對于大于1100m/s的堅硬場地具有部分可比性，因此選用這兩種條件對應(yīng)的反應(yīng)譜進行比較，如圖5所示。

通過圖5比較可以發(fā)現(xiàn)，除局部高頻部分有局部超出外，TECDOC 1347反應(yīng)譜可以包絡(luò)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計反應(yīng)譜，而且反應(yīng)放大系數(shù)最大值比《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》大40%。

對于國內(nèi)設(shè)計院通常采用的按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》提高1度進行分析計算的做法，考慮到烈度提高1度，加速度峰值提高1倍，將加速度峰值提高1度后的《建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》反應(yīng)譜與TECDOC 1347反應(yīng)譜進行比較可以發(fā)現(xiàn) (見圖6)，對于1類場地土、近震情況，提高1度后《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》反應(yīng)譜可以完全包絡(luò)烈度小于9度時的TECDOC 1347反應(yīng)譜;對于烈度大于等于9度的情況，從圖形上看，提高1度后《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》反應(yīng)譜在大部分頻段包絡(luò)TECDOC 1347反應(yīng)譜，超出部分超出量很有限。但由于我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》只適用于6、7、8和9度地區(qū)，對于設(shè)防烈度大于9度的情況不在其適用范圍，所以也不需要對這種情況進行進一步研究。

圖5 1類場地土TECDOC 1347反應(yīng)譜與GB50011反應(yīng)譜

圖6 1類場地土TECDOC 1347反應(yīng)譜與GB50011反應(yīng)譜

由于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的2類場地與3類場地的劃分，與TECDOC 1347中場地劃分布不能完全對應(yīng)，所以這里分別將《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的2、3類場地反應(yīng)譜與TECDOC 1347技術(shù)文件的2類及3類場地反應(yīng)譜進行對比 (見圖7和圖8)。

圖7 GB50011反應(yīng)譜2、3類場地，第1組與TECDOC 1347反應(yīng)譜2類場地

圖8 GB50011反應(yīng)譜2、3類場地，第1組與TECDOC 1347反應(yīng)譜3類場地

從圖中可以看出，TECDOC 1347技術(shù)文件的2類場地反應(yīng)譜放大系數(shù)最大值高于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》2類和3類場地反應(yīng)譜的最大值;峰值頻率向低頻方向移動;大部分頻段可包絡(luò)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》反應(yīng)譜?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》3類場地、近震反應(yīng)譜提高1度后可完全包絡(luò)TECDOC 1347技術(shù)文件9度以下2類場地反應(yīng)譜;大部分頻段可包絡(luò)TECDOC 1347技術(shù)文件9度及9度以上2類場地反應(yīng)譜。由于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的適用范圍限制，對于9度以上的情況可不做進一步研究。

TECDOC 1347技術(shù)文件的3類場地反應(yīng)譜放大系數(shù)最大值與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》2類和3類場地反應(yīng)譜的最大值相差不大;但峰值頻率向低頻方向移動很多，峰值頻段與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》反應(yīng)譜完全錯開?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》3類場地、近震反應(yīng)譜提高1度后在1Hz以下頻段不能包絡(luò)TECDOC 1347技術(shù)文件3類場地反應(yīng)譜;反應(yīng)放大系數(shù)是TECDOC 1347技術(shù)文件3類場地反應(yīng)譜放大系數(shù)的2倍。

總之，當(dāng)場地條件滿足TECDOC 1347技術(shù)文件1類場地、廠址地震在9度以下的情況，采用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》1類場地、近震地震作用提高1度對核設(shè)施進行抗震設(shè)計，其結(jié)果的保守性可以滿足TECDOC 1347技術(shù)文件的要求;當(dāng)場地條件為TECDOC 1347技術(shù)文件2類場地、廠址地震在9度以下的情況下，采用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》3類場地、近震地震作用提高1度對核設(shè)施進行抗震設(shè)計，其結(jié)果的保守性可以滿足TECDOC 1347技術(shù)文件的要求。當(dāng)場地條件為TECDOC 1347技術(shù)文件3類場地不推薦使用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》地震作用提高1度的做法對核設(shè)施進行抗震設(shè)計。

3 結(jié)論

通過上述分析比較可以歸納出以下結(jié)論，以在核設(shè)施設(shè)計時對設(shè)計地震反應(yīng)譜的選取與應(yīng)用有所參考：

(1)RG1.60反應(yīng)譜在大部分頻段可以包絡(luò)TECDOC 1347的1類設(shè)計反應(yīng)譜，只在10Hz拐點附近的頻段TECDOC 1347設(shè)計反應(yīng)譜有局部超出。在設(shè)計地震加速度水平較小時(烈度水平 1、2，加速度小于等于0.2g)，TECDOC 1347設(shè)計反應(yīng)譜峰值頻段較窄;在設(shè)計地震加速度水平較高時 (烈度水平3，加速度等于0.4g)，TECDOC 1347設(shè)計反應(yīng)譜與RG1.60反應(yīng)譜比較接近。

(2)當(dāng)場地條件滿足TECDOC 1347技術(shù)文件1類場地、廠址地震在9度以下的情況下，采用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》1類場地、近震地震作用提高1度對核設(shè)施進行抗震設(shè)計，其結(jié)果的保守性可以滿足TECDOC 1347技術(shù)文件的要求;

(3)當(dāng)場地條件為TECDOC 1347技術(shù)文件2類場地、廠址地震在9度以下的情況下，采用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》3類場地、近震地震作用提高1度對核設(shè)施進行抗震設(shè)計，其結(jié)果的保守性可以滿足TECDOC 1347技術(shù)文件的要求。

(4)當(dāng)場地條件為TECDOC 1347技術(shù)文件3類場地不推薦使用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》地震作用提高1度的做法對核設(shè)施進行抗震設(shè)計。

［1］ U.S.NRC.RG1.60 Design Response Spectra for Seismic Design of Nuclear Power Plant，Revision 1，1973

［2］IAEA.Consideration of external events in the design of nuclear facilities other than nuclear power plants，with emphasis on earthquakes，TECDOC 1347.2003

［3］中華人民共和國建設(shè)部.國家標(biāo)準(zhǔn)GB50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范.2010

Design Seism ic Response Spectrum Used in the Design of Nuclear Facilities O ther than NPPs

PAN Rong
(Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China)

To the design of nuclear facilities other than nuclear power plants，there is a set of standard design seismic spectrum for different kind of sites recommended in IAEA TECDOC 1347.The characteristics of the spectrum are studied in this paper，and comparing work is conducted between the spectrum and the one recommended in Chinese standard GB50011—2010.The results are useful in the choosing of reasonable design spectrum in the design of nuclear facilities other than NPPs.

nuclear facilities other than NPPs;design seismic spectrum;external event class