核電廠結(jié)構(gòu)抗震分析中不同規(guī)范要求引起的差異及影響研究

侯春林

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

核電廠結(jié)構(gòu)抗震分析中不同規(guī)范要求引起的差異及影響研究

侯春林

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

中國(guó)已運(yùn)行和在建的核電廠涉及的技術(shù)種類較多：有些采用國(guó)內(nèi)技術(shù)，有些引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，且引進(jìn)的國(guó)家及技術(shù)均有所不同，這就造成現(xiàn)有中國(guó)核電廠設(shè)計(jì)依據(jù)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)有所不同。對(duì)于核電廠的抗震分析，核電廠設(shè)計(jì)依據(jù)不同必然對(duì)一定階段下核電廠抗震設(shè)計(jì)的深度和實(shí)際核電廠抗震設(shè)防水準(zhǔn)造成一定的影響。本文便基于實(shí)際核電廠工程抗震設(shè)計(jì)過程中因引用不同的規(guī)范造成核電廠許可過程和設(shè)計(jì)過程方面差異的一系列問題進(jìn)行了比較、分析和研究，并給出了一些可供實(shí)際工程應(yīng)用的研究結(jié)果；同時(shí)為更精確地開展計(jì)算分析，發(fā)展和提出了一種擬合多阻尼反應(yīng)譜的人工地震動(dòng)時(shí)程優(yōu)化算法。該研究工作為我國(guó)核電廠抗震設(shè)計(jì)、安全評(píng)估以及相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的完善和修訂提供有益的參考。

本文的主要工作如下：

（1）以AP1000核電機(jī)組在中美兩國(guó)申請(qǐng)?jiān)S可證過程為例，比較分析了中國(guó)和美國(guó)核電廠許可證管理程序的差異，展示了對(duì)于同一核電機(jī)組依據(jù)不同的規(guī)范審評(píng)也可能對(duì)許可證管理過程造成一定的差異。

（2）利用ASCE4-98和RCC-G兩種不同的規(guī)范方法進(jìn)行了CPR1000安全殼結(jié)構(gòu)包括等效彈簧和阻尼系數(shù)的阻抗函數(shù)計(jì)算分析，研究了不同阻抗函數(shù)計(jì)算方法在核電廠結(jié)構(gòu)抗震方面應(yīng)用引起的差異性。在考慮地基土剪切波速、泊松比及地基土密度三種影響因素的情況下，分別探討了不同的地基參數(shù)對(duì)兩種規(guī)范方法計(jì)算結(jié)果的影響，量化了兩種規(guī)范分析方法對(duì)阻抗函數(shù)計(jì)算結(jié)果的差異，驗(yàn)證了地基土剪切波速是影響阻抗函數(shù)的關(guān)鍵因素。并基于上述計(jì)算結(jié)果，分析CPR1000安全殼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，量化了地基阻抗函數(shù)差異對(duì)核電廠結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生的影響，研究了地基土剪切波速、泊松比及地基土密度3種影響因素變化的情況下核電廠結(jié)構(gòu)的反應(yīng)規(guī)律。計(jì)算結(jié)果說明：ASCE4-98計(jì)算地基阻抗函數(shù)的方法較于RCC-G方法保守；地基土密度對(duì)核電廠結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響較?。坏鼗敛此杀葘?duì)核電廠結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響可以忽略；隨著地基土剪切波速的增大，核電廠結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化幅度降低，當(dāng)剪切波速?gòu)?900m／s增加至2 200m／s時(shí)，安全殼結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)水平向加速度變化幅度約2%，豎向峰值加速度隨剪切波速的變化已經(jīng)出現(xiàn)拐點(diǎn)，考慮到整個(gè)計(jì)算過程的不確定性，建議當(dāng)?shù)鼗良羟胁ㄋ佟? 900m／s時(shí)，CPR1000安全殼結(jié)構(gòu)可不考慮地基與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。

（3）基于AP1000核島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地基的場(chǎng)地參數(shù)模型，分析選取不同地震輸入界面時(shí)同一特定場(chǎng)地的地表地震動(dòng)峰值加速度和反應(yīng)譜的差異。計(jì)算結(jié)果表明：地震輸入界面的不同，AP1000核島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地基的同一場(chǎng)地土層模型地表地震動(dòng)峰值加速度差異高達(dá)2.25倍，地表地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜頻譜特性發(fā)生較大的變化，建議在AP1000核電廠地震安全性評(píng)價(jià)中應(yīng)基于剪切波速為2 438m／s的基巖層作為土層地震反應(yīng)分析的地震輸入界面；而當(dāng)一定深度內(nèi)地基剪切波速達(dá)不到2 438m／s時(shí)，則應(yīng)基于地基與結(jié)構(gòu)敏感性分析選擇地震輸入界面。同時(shí)，比較了各導(dǎo)則中定義的不同反應(yīng)譜的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明在特定廠址評(píng)價(jià)中應(yīng)基于同一標(biāo)高比較廠址特定反應(yīng)譜和AP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜的大小。并基于考慮地基與結(jié)構(gòu)之間相互作用的不同方法，給出設(shè)計(jì)基巖處和基礎(chǔ)底部的AP1000設(shè)計(jì)譜。計(jì)算結(jié)果說明：基礎(chǔ)底部AP1000設(shè)計(jì)譜不能包絡(luò)核島結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)常用的0.20g標(biāo)定的RG1.60譜。

（4）基于不同核電廠法規(guī)涉及人工合成地震動(dòng)方面的差異，對(duì)比現(xiàn)行中國(guó)可引用的法規(guī)之間在輸入地震動(dòng)的時(shí)程方面的異同，并結(jié)合工程實(shí)踐給出了相關(guān)的評(píng)述和應(yīng)用建議。同時(shí)，基于核電實(shí)際工程需要，提出了一種擬合多阻尼反應(yīng)譜的人工地震動(dòng)時(shí)程優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了提高設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)程對(duì)更多多阻尼目標(biāo)反應(yīng)譜的更高的擬合精度。該方法基于真實(shí)地震記錄或傳統(tǒng)方法獲取初始加速度時(shí)程，然后從全局角度來考慮添加的信號(hào)，使得添加的信號(hào)對(duì)反應(yīng)的影響總是在可控范圍之內(nèi)，這種可控性通過對(duì)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)施加約束來實(shí)現(xiàn)。算例分析結(jié)果表明，該方法可實(shí)現(xiàn)滿足5個(gè)不同阻尼比下的目標(biāo)譜的擬合精度的設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)程合成，同時(shí)較容易地將設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)程的反應(yīng)譜與多阻尼目標(biāo)譜的最大誤差降低至5%左右。

（5）基于不同規(guī)范規(guī)定的核電廠抗震分析方法不同，且中國(guó)核電廠抗震規(guī)范中無復(fù)頻響應(yīng)分析方法，采用時(shí)程動(dòng)力法和復(fù)頻響應(yīng)分析法計(jì)算同一核電廠結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于核電廠結(jié)構(gòu)，因在抗震設(shè)計(jì)時(shí)其結(jié)構(gòu)體系等效為線性體系，滿足疊加原理要求，故計(jì)算核電廠結(jié)構(gòu)的響應(yīng)的時(shí)域法或頻域法是等價(jià)的，計(jì)算結(jié)果一致；由于頻率在振動(dòng)過程中物理概念的重要性，在頻域中處理振動(dòng)問題有許多優(yōu)點(diǎn)，且頻域解在計(jì)算上已無大困難?；诖?，建議中國(guó)核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中應(yīng)增加復(fù)頻響應(yīng)分析法。

（6）基于不同規(guī)范涉及豎向地震動(dòng)方面的規(guī)定不同，對(duì)比分析豎向地震動(dòng)因選取的方式不同得到的豎向反應(yīng)譜的差異，并基于AP1000核電廠結(jié)構(gòu)分析豎向反應(yīng)譜的差異可能對(duì)同一核電廠抗震響應(yīng)造成的影響。計(jì)算結(jié)果說明：不同方法選取的豎向反應(yīng)譜對(duì)核電廠結(jié)構(gòu)水平向響應(yīng)的影響可以忽略；峰值相同，反應(yīng)譜譜形不同的豎向設(shè)計(jì)譜對(duì)核電廠結(jié)構(gòu)的豎向峰值加速度的影響可以忽略，但需考慮對(duì)豎向相對(duì)最大位移和豎向樓層反應(yīng)譜的影響；在核電廠抗震設(shè)計(jì)過程中，統(tǒng)一豎向峰值加速度取水平向峰值加速度的2／3偏于不保守。

最后，在論文工作總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了有待進(jìn)一步研究解決的問題。

核電廠；核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范；AP1000；多阻尼擬合；優(yōu)化算法；設(shè)計(jì)地震動(dòng)；豎向反應(yīng)譜；核電廠抗震分析方法

（作者電子信箱，侯春林：hou.chunlin＠gmail.com）

TU352.1；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2013.04.012