核電廠應(yīng)急指揮中心抗震性能分析

王芳 林海

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

核電廠應(yīng)急指揮中心是核電廠營運單位應(yīng)急響應(yīng)的指揮、管理和協(xié)調(diào)中樞，是應(yīng)急期間應(yīng)急響應(yīng)指揮部的工作場所。根據(jù)《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》，每個核電廠必須設(shè)置一個與核電廠控制室相分離的廠內(nèi)應(yīng)急控制中心，作為應(yīng)急事故發(fā)生時，應(yīng)急指揮人員工作、生活的場所，并且可以長時間保護(hù)在場人員，以便防止嚴(yán)重事故對他們的危害。

日本福島事故以前，已建或在建(包括現(xiàn)有設(shè)計)的應(yīng)急指揮中心屬于與核安全無關(guān)的Ⅲ類物項，即核電廠中與核安全無關(guān)的物項。根據(jù)GB 50223-2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，即除了特殊設(shè)防、重點設(shè)防和適度設(shè)防外按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)防的建筑，為丙類建筑。日本福島事故后，國家對于核電廠的核安全以及核應(yīng)急提出了更高要求。國家核安全2012年發(fā)布了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動通用技術(shù)要求》(以下簡稱《通用技術(shù)要求》)，根據(jù)此規(guī)定，應(yīng)急控制中心按廠址所在地區(qū)地震基本烈度提高1度進(jìn)行抗震設(shè)計，并按照設(shè)計基準(zhǔn)地震動SL2(相當(dāng)?shù)牡孛婕铀俣?進(jìn)行校核。

1 核電廠與民用建筑抗震設(shè)計的區(qū)別

核電廠建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)與一般民用建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)有所不同:

1)建筑物分類不同。核電廠中的建筑根據(jù)其對核安全的重要性劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類物項，民用建筑根據(jù)其功能的重要性分為甲、乙、丙、丁四個類別。

2)抗震設(shè)計原則不同。民用建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)是“三水準(zhǔn)，兩階段設(shè)計”。核電廠中核安全有關(guān)的廠房抗震設(shè)計是按照廠址的運行安全地震震動(SL1)和極限安全地震震動的加速度(SL2)進(jìn)行計算。

3)設(shè)計反應(yīng)譜不同。核電廠抗震設(shè)計一般采用美國RG1.60譜或場地地震相關(guān)反應(yīng)譜，民用建筑抗震按地震影響曲線計算。此曲線相當(dāng)于地面反應(yīng)譜。

4)地面加速度取值不同。民用建筑抗震設(shè)計時根據(jù)建筑物所在廠址的抗震設(shè)防烈度進(jìn)行設(shè)計的，基本地震加速度是按50年的設(shè)計基準(zhǔn)期超越概率10%(重現(xiàn)期475年)的地震加速度作為設(shè)計取值。SL1的加速度是設(shè)計基準(zhǔn)期中年超越概率為2‰的地震震動。SL2加速度是按在設(shè)計基準(zhǔn)期中年超逾概率為0.1‰(重現(xiàn)期為10 000年)的地震加速度作為設(shè)計取值。

若用核電廠抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定的反應(yīng)譜對應(yīng)急指揮中心進(jìn)行設(shè)計會高于《通用技術(shù)要求》的標(biāo)準(zhǔn)，按“三水準(zhǔn)、兩階段”的小震作用進(jìn)行抗震設(shè)計則沒有滿足其要求，因此按SL2相當(dāng)?shù)牡孛婕铀俣冗M(jìn)行彈性設(shè)計是合適的。

2 應(yīng)急指揮中心抗震設(shè)計

2.1 工程概況

某核電廠應(yīng)急指揮中心為現(xiàn)澆鋼筋混凝土抗震墻結(jié)構(gòu)，平面尺寸為56.1 m×17.4 m，地上2 層，底層層高6.55 m，第二層層高4.35 m，墻厚均為300 mm，第一層板厚按跨度和工藝的要求分為150 mm，200 mm，300 mm，頂層板厚300 mm?；炷敛捎肅35混凝土?；A(chǔ)采用混凝土墻下條形基礎(chǔ)。

本建筑物按使用年限50年設(shè)計，建筑場地類別為Ⅰ1類，設(shè)計地震分組為第三組，特征周期為0.35 s，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，建筑抗震設(shè)防類別為甲類。平面圖見圖1。此類建筑的特點是只有墻、板和梁，沒有柱子。

圖1 平面圖

樓面活荷載2.5 kN/m2，屋面恒荷載按6 kN/m2考慮，活荷載0.5 kN/m2，基本風(fēng)壓 1.00 kN/m2，地面粗糙度類別 A 類。

設(shè)計過程中，我們采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部開發(fā)的SATWE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)中震彈性計算。在中震彈性設(shè)計時，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，沒有內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，但保留了荷載分項系數(shù)，材料強度按設(shè)計強度取值。PKPM分析方法過程簡單，而且可以直接求得配筋結(jié)果。

現(xiàn)用有限元軟件ANSYS做譜分析，進(jìn)一步對該結(jié)構(gòu)的動力特性和抗震性能進(jìn)行分析，并將計算結(jié)果與PKPM計算的結(jié)果進(jìn)行對比。

2.2 地震反應(yīng)譜數(shù)值取值

根據(jù)《通用技術(shù)要求》，應(yīng)急指揮中心在民用規(guī)范體系下，結(jié)構(gòu)設(shè)計按照建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范的基本烈度增加1度即按照8度進(jìn)行抗震設(shè)計，本場地的極限安全地震動SL2的水平地面加速度峰值0.2g，所以按8度(0.2g)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的中震彈性設(shè)計。當(dāng)利用PKPM進(jìn)行中震彈性分析時，需要修改水平地震影響系數(shù)αmax=0.444。

當(dāng) T=0時，α=0.45αmax;

令 0.45αmax=0.2，得 αmax=0.444。

在用ANSYS采用反應(yīng)譜法進(jìn)行地震作用的響應(yīng)分析時，按照GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范定義頻率反應(yīng)譜曲線，具體數(shù)值見表1。計算采用混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05，ANSYS譜分析輸入的譜值如圖2所示。

表1 頻率反應(yīng)譜的相關(guān)參數(shù)

圖2 ANSYS譜分析中輸入的譜值

3 整體模型分析

3.1 結(jié)構(gòu)模型

按實際結(jié)構(gòu)布置建立有限元分析模型，墻、板用Shell63單元模擬，梁用Beam4單元模擬，設(shè)備基礎(chǔ)用Mass21單元模擬，將恒載和活載以折合密度的形式彌散到相應(yīng)的樓板上，屋面活荷載不計入，樓面活荷載組合系數(shù)取0.5。

坐標(biāo)原點設(shè)置在①軸線和?軸線的交點，X方向為結(jié)構(gòu)的長邊方向;Y方向為結(jié)構(gòu)的短邊方向;Z方向為結(jié)構(gòu)的高度方向。該模型劃分單元網(wǎng)格0.6 m，共有12 217個節(jié)點，13 337個單元。三維有限元模型見圖3。

圖3 三維有限元模型

3.2 模態(tài)分析

ANSYS提供的模態(tài)提取方法有子空間法、分塊Lanczos法，Power Dynamics法和縮減法，本文采用子空間法提取前20階模態(tài)。振型組合采用“平方和的平方根法”(SRSS)法。由于結(jié)構(gòu)X方向尺寸遠(yuǎn)大于Y方向，Y方向的地震力起控制作用，為了更清楚地分析地震作用下結(jié)構(gòu)的性能，計算時，輸入Y方向的地震作用分析Y方向的變形和內(nèi)力。

PKPM和ANSYS軟件的模態(tài)分析結(jié)果如表2所示，在PKPM計算需要考慮樓梯對剛度的貢獻(xiàn)。從表3可以看出，兩種軟件計算的結(jié)構(gòu)質(zhì)量相當(dāng)。但ANSYS計算的頻率稍微比PKPM大一點，說明ANSYS建立的三維模型剛度略大。

表2 結(jié)構(gòu)主頻 Hz

表3 結(jié)構(gòu)質(zhì)量 t

3.3 層剪力

PKPM和ANSYS軟件的振型分解反應(yīng)譜方法計算的層剪力結(jié)果見表4。ANSYS計算的第二層剪力結(jié)果和PKPM的結(jié)果很接近，第一層的ANSYS層剪力結(jié)果是PKPM結(jié)果的85%，主要是因為ANSYS模型中第一層的洞口和樓梯與PKPM有所不同。

表4 Y方向基底剪力 kN

3.4 結(jié)構(gòu)位移

樓層的最大位移和平均位移見表5，可以看出，ANSYS計算的位移結(jié)果和PKPM計算的位移結(jié)果比較接近。

表5 Y方向地震作用下的樓層最大位移和平均位移 mm

4 結(jié)語

通過以上論述，可以得出結(jié)論，盡管民用建筑抗震設(shè)計和核安全相關(guān)物項進(jìn)行抗震設(shè)計的規(guī)范要求有所不同，但是做到對規(guī)范條文的深刻理解，合理的設(shè)置計算參數(shù)，對于非框架的墻板結(jié)構(gòu)，用PKPM軟件也是可以代替ANSYS進(jìn)行中震彈性計算的，二者計算結(jié)果相近，可以滿足工程設(shè)計的需要。

［1］ANSYS土木工程應(yīng)用實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］GB 50267-97，核電廠抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］周 穎，呂西林.中震彈性設(shè)計與中震不屈服設(shè)計的理解及實施［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2008(6):73.