基于風(fēng)險指引和性能目標(biāo)的抗震設(shè)計方法在研究堆的應(yīng)用

劉 銳，張珊琦，袁 芳，候秦脈，張慧一，*

（1. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082；2. 中核能源科技有限公司，北京 100193；3. 上海核工程研究設(shè)計院股份有限公司，上海 200233）

近年來，我國持續(xù)關(guān)注新建研究堆及其配套實驗和生產(chǎn)設(shè)施，而研究堆的堆型、用途、功率水平、設(shè)計原理、安全特性等不盡相同，運行模式和管理也有很大的差別。我國核安全法規(guī)HAF 201-1995《研究堆設(shè)計安全規(guī)定》要求將地震作為典型的假設(shè)始發(fā)事件考慮。我國為核電廠的抗震設(shè)計編制了一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，已經(jīng)形成了完整的分析和評價方法，而對研究堆的抗震設(shè)計卻缺少專門的規(guī)范。針對除核動力廠外的核設(shè)施的抗震設(shè)計問題，在國際上曾有兩種處理辦法，一是采用常規(guī)建筑和工業(yè)規(guī)范，二是采用核電廠的抗震設(shè)計方法。前一種方法對核設(shè)施具有放射性材料這一特點欠考慮，后一種方法過于保守。美國NUREG-1537《非動力反應(yīng)堆許可證申請和審查指南》規(guī)定，非動力反應(yīng)堆抗震設(shè)計至少應(yīng)符合當(dāng)?shù)亟ㄖ?guī)范，確保設(shè)施和相關(guān)安全功能不受到重大損壞。應(yīng)分析地震事件造成的所有潛在后果，確保地震事件不會對公眾的健康和安全構(gòu)成重大風(fēng)險。NUREG-1537 規(guī)定了非動力反應(yīng)堆的最低抗震設(shè)計要求，但對于如何確定研究堆的抗震設(shè)計基準(zhǔn)地震卻沒有給出明確的標(biāo)準(zhǔn)。因此研究合理安全的抗震設(shè)計方法對新建研究堆抗震性能的保證很有必要。

美國土木工程師學(xué)會（American Society of Civil Engineers，ASCE）和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會（Structural Engineering Institute，SEI）標(biāo)準(zhǔn)ASCE/SEI 43-19《核設(shè)施構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱ASCE 43-19）提出了一種根據(jù)一定的性能要求選取地震輸入和設(shè)計準(zhǔn)則的新方法，該方法適用于新建加工、儲存或處理放射性物質(zhì)的核設(shè)施的設(shè)計，其形式和數(shù)量可能會對工作人員、公眾或環(huán)境造成潛在危害。本文主要介紹了ASCE 43-19 的抗震設(shè)計分類方法，研究不同版本的ASCE 43-19 和ASCE 43-05 標(biāo)準(zhǔn)對抗震設(shè)計分類和確定設(shè)計基準(zhǔn)地震的區(qū)別和影響，通過實例解釋了基于風(fēng)險指引和性能目標(biāo)的抗震設(shè)計方法在研究堆上的應(yīng)用。

1 ASCE 43-19 方法

NUREG-0800《核電廠安全分析報告標(biāo)準(zhǔn)審查大綱》使用確定性方法保障構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)備（Structure，System，And Component，SSC）的設(shè)計充分性，對所有SSC 使用唯一的設(shè)計基準(zhǔn)地震，而不論風(fēng)險重要性如何。ASCE 43-19采用基于風(fēng)險指引和性能目標(biāo)一致的方法定義核設(shè)施中安全相關(guān)SSC 的抗震設(shè)計。性能目標(biāo)由設(shè)計基準(zhǔn)地震（Design Basis Earthquake，DBE）的年發(fā)生頻率和SSC 結(jié)構(gòu)的可接受性能水平定義。其中設(shè)計基準(zhǔn)地震年發(fā)生頻率由抗震設(shè)計類別（Seismic Design Category，SDC）確定；SSC 結(jié)構(gòu)的可接受性能水平安全由極限狀態(tài)（Limit state，LS）確定。相關(guān)SSC 的設(shè)計可采用不同的抗震設(shè)計類別。NUREG-0800推薦的抗震設(shè)計方法與ASCE 43-19 的比較見表1。

表1 目前的抗震設(shè)計方法與ASCE 43-19 的比較Table 1 Comparison of current seismic design methods with ASCE 43-19

2 確定抗震設(shè)計分類

2.1 標(biāo)準(zhǔn)接口

ANCE 43-19 規(guī)定了抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和分析方法，與ANCE 43-19 最重要的接口標(biāo)準(zhǔn)包括美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（American National Standards Institute，ANSI）和美國核學(xué)會（American Nuclear Society，ANS）的標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1） ANSI/ANS-2.26《用于抗震設(shè)計的核設(shè)施結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的分類》。該標(biāo)準(zhǔn)提供了選擇設(shè)施抗震設(shè)計分類（SDC）和極限狀態(tài)（LS）的標(biāo)準(zhǔn)：為核設(shè)施結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件（SSC）選擇抗震設(shè)計分類別（SDC），實現(xiàn)地震安全；為SSC 選擇極限狀態(tài)以管理其抗震設(shè)計，確保在地震中達到預(yù)期的安全性能。

（2） ANSI/ANS-2.27《用于地震危險評估的核材料設(shè)施場地調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)提供概率地震危險性分析（Probabilistic Seismic Hazard Assessment，PSHA）所需的地震源特征輸入、地表斷層破裂危險性評估、場地反應(yīng)分析和地震引起的地面破壞危險。

（3） ANSI/ANS-2.29《概率地震危險性分析》。該標(biāo)準(zhǔn)為核設(shè)施的設(shè)計和建造提供概率地震危險性分析（PSHA）的方法和指導(dǎo)。

以上標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合使用的目標(biāo)是實現(xiàn)風(fēng)險指引的抗震設(shè)計，保護公眾、環(huán)境和工作人員免受地震的潛在危害。這組標(biāo)準(zhǔn)共同確定了：（a）設(shè)計基準(zhǔn)地震反應(yīng)譜；（b）在地震期間和地震后實現(xiàn)足夠安全性能所必需的極限狀態(tài)；（c）達到極限狀態(tài)所需完成的SSC 設(shè)計要求。標(biāo)準(zhǔn)之間的接口關(guān)系如圖1 所示。

圖1 地震標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系的示意圖Fig.1 Schematic diagram of seismic standard relationship

2.2 抗震設(shè)計分類（SDC）

ANSI/ANS-2.26 根據(jù)SSC 自身的重要性和固有的潛在危害性劃分抗震性能設(shè)計分類（SDC），抗震性能設(shè)計分類（SDC）可劃分為5類（SDC-1 至SDC-5），SDC-1 適用于常規(guī)建筑標(biāo)準(zhǔn)，其失效可能不會導(dǎo)致任何放射性后果，SDC-5 是最嚴(yán)格的級別，適用于核電廠或具有大量放射性物質(zhì)儲存的核材料加工設(shè)施?；赟SC 失效后果的嚴(yán)重性的抗震性能分類見表2。

表2 基于SSC 失效后果的嚴(yán)重性的抗震性能分類Table 2 Seismic performance classification based on the severity of SSC failure consequences

2.3 極限狀態(tài)（LS）

ANSI/ANS-2.26 對四個極限狀態(tài)（LS）（A、B、C 和D）進行了定性描述，描述了SSC 在地震期間或之后可接受的變形、位移或應(yīng)力。設(shè)計為LS-A 的SSC 承受較大的永久變形（即完整性不是必需的）；設(shè)計為LS-B 和LS-C 的SSC分別承受中度和有限的永久變形；設(shè)計為LS-D的SSC 施加最嚴(yán)格的設(shè)計限制，需要保持在彈性狀態(tài)。對于給定的DBE，極限狀態(tài)LS-A 的損傷最大，極限狀態(tài)LS-D 的損傷可忽略不計。通過應(yīng)用非彈性能量吸收系數(shù)和/或變形極限，將損傷限制在允許水平。表3 給出了ANSI/ANS-2.26 極限狀態(tài)的分類，圖2 給出了典型荷載變形曲線圖。SDC（SDC-1到SDC-5）和 LS（A、B、C 或 D）的組合決定了SSC 設(shè)計的設(shè)計基準(zhǔn)地震，如表4 所示。

圖2 典型荷載變形曲線圖Fig.2 Typical load deformation curve

表3 ANSI/ANS-2.26 極限狀態(tài)Table 3 ANSI/ANS-2.26 Limit States

表4 不同抗震設(shè)計分類對應(yīng)基于風(fēng)險的性能目標(biāo)和地震危險超越概率表Table 4 Risk based performance objectives and probability of seismic hazard exceedance corresponding to different seismic design classifications

2.4 基于性能抗震設(shè)計方法

ASCE 43-19 使用與可接受風(fēng)險相稱的分類方法，通過滿足不同概率性能目標(biāo)，保證SSC 能夠承受設(shè)計基準(zhǔn)地震地面運動。概率性能目標(biāo)表示為不可接受性能的年頻率（如每年1×10-5次）。當(dāng)結(jié)構(gòu)損壞水平超過定義的LS水平時，即出現(xiàn)不可接受的性能（即失效狀態(tài)）。實施ASCE 43-19 將實現(xiàn)兩個概率性能目標(biāo)：（1）在發(fā)生DBE 時，超過可接受性能的失效概率小于1%；（2）在發(fā)生150% DBE 時，超過可接受性能的失效概率小于10%。

早期版本的ASCE 43-05 與ASCE 43-19在概率目標(biāo)性能指標(biāo)上是一致的，但是ASCE 43-05 引入了概率比RP（RP=HD/PF），對于SDC-3、SDC-4、SDC-5 分別為4、10、10，這樣對應(yīng)的地震危險超越概率HD分別為4×10-4、4×10-4、1×10-4，廠址的設(shè)計地震反應(yīng)譜表達也有所不同。表4 給出了不同抗震設(shè)計分類對應(yīng)基于風(fēng)險的性能目標(biāo)和地震危險超越概率。

3 確定設(shè)計基準(zhǔn)地震

3.1 ASCE/SEI 43-19

ASCE/SEI 43-19 基于性能方法的廠址特定地震是基于ANSI/ANS 2.27 和2.29 標(biāo)準(zhǔn)，進行概率地震危險性分析（PSHA），開發(fā)地震危險性曲線和一致危險性反應(yīng)譜（Uniform hazard response spectrum，UHRS）。對于抗震設(shè)計類別SDC-2、SDC-3、SDC-4 和SDC-5，規(guī)定水平振動的UHRS 的兩個年平均超越頻率為：

定義地震危險曲線的斜率為：

水平方向地面運動DBE 根據(jù)下式給出了設(shè)計反應(yīng)譜（DRS）：

式中：UHRSHP是針對年平均超越頻率HP確定的UHRS；

SF是在每個頻譜頻率下的比例因子。

對于UHRS定義的每個頻率，斜率系數(shù)AR為：

式中：SAHP是年平均超越頻率HP的譜加速度；

SAHD是年平均超越頻率HD的譜加速。

給定頻譜頻率下的SF由下式給出：

式中：

DRS通常定義在自由場中，與危險曲線和UHRS的控制位置相同。DRS應(yīng)在整個頻率范圍內(nèi)按一個因子放大振幅，使SDC-2 的零周期加速度不小于0.04 g，SDC-3 不小于0.06 g，SDC-4 不小于0.08 g，SDC-5 不小于0.10 g。

3.2 ASCE/SEI 43-05

ASCE/SEI 43-05 對于DRS的定義是采用一個大于1 的設(shè)計因子DF與UHRS（HD超越概率下的）乘積，而ASCE/SEI 43-19 在基于系列改進研究后采用小于1 的比例因子SF與UHRS（HP超越概率下的）乘積。

ASCE/SEI 43-05 中根據(jù)下式計算設(shè)計反應(yīng)譜（DRS）：

式中：UHRS是年平均超越頻率HD下的UHRS；

DF是在每個頻譜頻率下的設(shè)計因子。

對于UHRS定義的每個頻率，斜率系數(shù)AR為：

式中：SA0.1HD是年平均超越頻率0.1HD的譜加速度；

SAHD是年平均超越頻率HD的譜加速度。

給定頻譜頻率下的DF由下式給出：

式中：

DF2= 0.6AR∝；∝對于SDC-3、SDC-4、SDC-5分別為0.4、0.8、0.8。

DF1對于SDC-3、SDC-4、SDC-5 分別為0.8、1.0、1.0。

4 應(yīng)用實例

（1）鈉冷快堆VTR（Versatile Test Reactor）

VTR 項目是美國核能公司GE-Hitachi 設(shè)計的300 MWt 的鈉冷快堆，主要功能是進行先進反應(yīng)堆燃料和與材料相關(guān)的試驗，目前完成了基于風(fēng)險指引和性能目標(biāo)的抗震設(shè)計的概念設(shè)計，可滿足工作人員和公眾可接受風(fēng)險與和SSC 失效后果嚴(yán)重程度相稱的設(shè)計要求。

根據(jù)ANSI/ANS-2.26，VTR 項目的SSC 分為五類抗震設(shè)計類別。分類為SDC-3、SDC-4和SDC-5 的SSC 的DBE 根據(jù)表1 定義，滿足所需性能目標(biāo)（PF）的地震危險超越概率（HD）：

● SDC-3 DBE，HD=4×10-4，達到目標(biāo)性能目標(biāo)PF≈1×10-4；

● SDC-4 DBE，HD=4×10-4，達到目標(biāo)性能目標(biāo)PF≈4×10-5；

● SDC-5 DBE，HD=1×10-4，達到目標(biāo)性能目標(biāo)PF≈1×10-5。

分類為SDC-1 和SDC-2 的SSC 的抗震設(shè)計DBE 根據(jù)IBC-2015 和ASCE 7-10 的規(guī)定開發(fā)。

● SDC-1 DBE，對應(yīng)ASCE 7-10 風(fēng)險類別Ⅱ，達到目標(biāo)性能目標(biāo)PF＜10-3；

● SDC-2 DBE，對應(yīng)ASCE 7-10 風(fēng)險類別Ⅳ，達到目標(biāo)性能目標(biāo)PF＜4 × 10-3。

基于ANSI/ANS-2.26 提供的示例，將四種極限狀態(tài)（LS）分配給SSC。在缺乏安全分析結(jié)果和現(xiàn)場設(shè)計輸入的情況下，VTR 項目進行了保守分類用于概念抗震設(shè)計評估：

● 反應(yīng)堆容器，安全殼及其支撐，反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)和一次冷卻劑邊界，SDC-5；

● 處理和儲存實驗或控制區(qū)以外燃料的SSC SDC-3；

● 覆蓋氣體和鈉凈化系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)SSDC-3；

● SDC-5 和SDC-3 SSC 的概念設(shè)計默認(rèn)為LS-D，保持彈性狀態(tài)。少數(shù)例外，如輔助冷卻系統(tǒng)的抗震設(shè)計為LS-C，因為其安全性能不受有限永久變形的影響。

根據(jù)ASCE/SEI 43-05 的方法，由附近場地的PSHA 為VTR SDC-3、SDC-4 和SDC-5 SSC 的抗震設(shè)計開發(fā)了5%阻尼比的早期設(shè)計反應(yīng)譜（EDRS），如圖3 和圖4 所示。

圖3 5%阻尼水平EDRSFig.3 5% damping level EDRS

圖4 5%阻尼豎直EDRSFig.4 5% Damping Vertical EDRS

根據(jù)ASCE7-10 第11.4 節(jié)的規(guī)定，開發(fā)SDC-1 和SDC-2 抗震設(shè)計的5%阻尼比DRS如圖5 所示。

圖5 根據(jù)ASCE7-10 確定5%阻尼反應(yīng)譜Fig.5 Determine the 5% damping response spectrum according to ASCE7-10

圖6 設(shè)計譜與SDC-3 和SDC-4 譜的比較Fig.6 Comparison of design spectra with SDC-3 and SDC-4 spectra

（2）溶液堆SHINE

SHINE 是由輻照設(shè)施（IF）和放射性同位素生產(chǎn)設(shè)施（RPF）組成的放射性同位素生產(chǎn)設(shè)施，用于特種核材料的輻照加工，生產(chǎn)醫(yī)用放射性同位素（如鉬-99）。目前NRC 已完成了對SHINE 最終安全分析報告的評價。

根據(jù)美國法規(guī)NUREG-1537，第1 部分第3.4 節(jié)要求，非動力反應(yīng)堆的抗震設(shè)計至少應(yīng)符合當(dāng)?shù)亟ㄖ?guī)范和其他適用標(biāo)準(zhǔn)。NRC 工作人員使用核管制委員會認(rèn)可的模型和方法進行了概率地震危險性分析（PSHA）。SHINE 抗震設(shè)計使用了2008 年美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的結(jié)果來確定現(xiàn)場的地震危險和安全停堆地震（SSE）。除了審查SHINE 申請和美國地質(zhì)勘探局的結(jié)果，NRC 工作人員結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)信息的PSHA，開發(fā)了抗震設(shè)計分類為SDC-3和SDC-4 的統(tǒng)一地震危險譜，并根據(jù)ASCE/SEI 43-05 的指導(dǎo)進行計算。結(jié)果表明，對于SDC-4 類設(shè)施，SHINE 以顯著的裕度包絡(luò)了大于0.6 HZ的所有頻率，SDC-3 的裕度更大。

5 結(jié)論和建議

本文描述了基于風(fēng)險指引和性能目標(biāo)的抗震設(shè)計方法。在考慮SSC 的風(fēng)險重要性、安全功能和其他綜合決策過程的情況下，選擇抗震設(shè)計分類和極限狀態(tài)。通過兩個調(diào)研實例說明了基于風(fēng)險指引和性能目標(biāo)的抗震設(shè)計方法在研究堆上的應(yīng)用，為我國研究堆確定合理的抗震設(shè)計輸入提供參考。

最新版ASCE 43-19 是ASCE 43-05 的替代版本，不同版本對抗震設(shè)計分類對應(yīng)的地震危險超越概率和確定設(shè)計基準(zhǔn)地震的計算方法不同，使用時需注意相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的版本問題。