我國(guó)核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的比較分析

李 亮，楊 宇，趙 雷，詹佳碩，覃 鋒，路 雨，*

（1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.中廣核工程有限公司，深圳 518000）

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我國(guó)核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的比較分析

李 亮1，楊 宇1，趙 雷1，詹佳碩1，覃 鋒2，路 雨1，*

（1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082；2.中廣核工程有限公司，深圳 518000）

摘要：設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)評(píng)價(jià)核電廠在地震作用下的安全性極為重要。本文從統(tǒng)計(jì)核電廠抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜時(shí)選取的強(qiáng)震數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)方法兩個(gè)方面，分析比較了美國(guó)RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和我國(guó)核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜的異同。通過(guò)對(duì)比分析，深入理解核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的提出需考慮的關(guān)鍵因素，為核電廠抗震設(shè)計(jì)和審評(píng)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜；RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜；強(qiáng)震數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)方法

隨著我國(guó)核電建設(shè)的快速發(fā)展，核電廠抗震安全受到廣泛關(guān)注。核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)評(píng)價(jià)其地震安全極為重要。為保證核電廠的抗震設(shè)計(jì)安全，正確理解核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是對(duì)核電廠抗震設(shè)計(jì)及審評(píng)人員的基本要求。美國(guó)RG1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是世界上最早的核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜之一。該設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)多個(gè)國(guó)家的核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范影響較大，如中國(guó)、法國(guó)等，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)對(duì)核電廠抗震設(shè)計(jì)的規(guī)定也參考了RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜［1］。我國(guó)已建核電廠的抗震設(shè)計(jì)中，大多都考慮了美國(guó)RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜［2］。在早期M310機(jī)組設(shè)計(jì)中，安全相關(guān)的“翻版設(shè)計(jì)”子項(xiàng)，采用與參考核電廠相同的反應(yīng)譜，即RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜［3］。AP1000核電廠的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜提高了RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的高頻部分，以反映美國(guó)潛在廠址（主要是美國(guó)東部）的特征［4，5］。

本文主要從統(tǒng)計(jì)核電廠抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜時(shí)選取的強(qiáng)震數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)方法兩個(gè)方面，對(duì)比分析了美國(guó)RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和我國(guó)核電廠抗震規(guī)范（GB 50267 -97）的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜”）。通過(guò)對(duì)比分析，深入理解核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的提出需考慮的關(guān)鍵因素，為核電廠抗震設(shè)計(jì)和審評(píng)工作提供參考。

1 反應(yīng)譜的基本概念

1. 1 反應(yīng)譜的定義

反應(yīng)譜是指單質(zhì)點(diǎn)體系地震最大反應(yīng)與結(jié)構(gòu)自振周期之間的關(guān)系［6］。從反應(yīng)譜的基本概念來(lái)看，影響反應(yīng)譜的因素主要是阻尼和地震動(dòng)等，影響地震動(dòng)的因素也會(huì)影響反應(yīng)譜，如場(chǎng)地條件、震中距、震級(jí)等。因此，在分析各反應(yīng)譜時(shí)也著重從以下這幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

1. 2 地震反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的區(qū)別

地震反應(yīng)譜是針對(duì)具體地震記錄的反應(yīng)譜［6］。設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是對(duì)設(shè)計(jì)地震力的一種規(guī)定，并不反映一次具體的地震動(dòng)過(guò)程的特性，而是從工程設(shè)計(jì)的角度在總體上把握地震動(dòng)特性［6］?？梢允墙y(tǒng)計(jì)平均，也可以是嚴(yán)格概率意義上的把握，因此不受某次地震的大小、遠(yuǎn)近的影響。表征核設(shè)施的抗震能力通常使用設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜［7］。本文所分析的反應(yīng)譜均為設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，也就是說(shuō)文中的反應(yīng)譜不是一次地震的反應(yīng)譜。

2 RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

2. 1 RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

世界上很多國(guó)家都制定了專(zhuān)門(mén)的核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，如美國(guó)、日本、中國(guó)、加拿大等。1973年的美國(guó)的核管會(huì)制定的Regulatory Guide1. 60（簡(jiǎn)稱(chēng)RG 1. 60）是最早的核電抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜之一，很多國(guó)家的核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜都受到它的影響，該反應(yīng)譜［8，9］是綜合考慮了兩個(gè)獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)的成果。RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜在不同頻段分別采用加速度、位移兩種放大系數(shù)，但沒(méi)有考慮場(chǎng)地對(duì)反應(yīng)譜的影響。本文選擇了阻尼比2%和5%兩種情況下的RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的控制點(diǎn)頻率和放大系數(shù)見(jiàn)表1、表2。對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線如圖1、圖2所示。

表1 RG1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜水平向的控制點(diǎn)頻率和放大系數(shù)Table1 Frequencies of the control point and amplification factor of RG 1. 60 at the horizontal

表2 RG1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜豎直向的控制點(diǎn)頻率和放大系數(shù)Table 2 Frequencies of the control point and amplification factor of RG 1. 60 at the vertical

圖1 水平向RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜Fig. 1 Horizontal spectra of RG 1. 60

圖2 豎直向RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜Fig. 2 Vertical spectra of RG 1. 60

2. 2 GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

我國(guó)的《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50267 -97）采納了中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所郭玉學(xué)等人的研究成果［10 -13］，給出了基巖和硬土兩類(lèi)場(chǎng)地的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，阻尼比2%和5%兩種情況下，核電廠抗震反應(yīng)譜的控制點(diǎn)頻率和放大系數(shù)見(jiàn)表3 -表6、如圖3 -圖6所示。該標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜主要是采用了部分國(guó)內(nèi)記錄和部分美國(guó)西部地震記錄，這些記錄大多來(lái)自于5級(jí)至7級(jí)的地震。

表3 GB50267 -97基巖場(chǎng)地水平向標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜控制點(diǎn)周期及其譜值Table 3 Periods and amplification factors corresponding to the control points of the GB50267 -97 horizontal spectra for bedrock site

表4 GB50267 -97基巖場(chǎng)地豎直向標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜控制點(diǎn)周期及其譜值Table 4 Periods and amplification factors corresponding to the control points of the GB50267 -97 vertical spectra for bedrock site

圖3 基巖水平向GB50267 -97設(shè)計(jì)反應(yīng)譜Fig. 3 Horizontal spectra of GB50267 -97 for bedrock site

圖4 基巖豎直向GB50267 -97設(shè)計(jì)反應(yīng)譜Fig. 4 Vertical spectra of GB50267 -97 for bedrock site

表5 GB50267 -97硬土場(chǎng)地水平向標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜控制點(diǎn)周期及其譜值Table 5 Periods and amplification factors corresponding to the control points of the GB50267 -97 horizontal spectra for hard soil site

3 RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的比較分析

3. 1 強(qiáng)震數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

正如前文所述，反應(yīng)譜受場(chǎng)地條件、震中距、震級(jí)等多種因素影響。因此，本文從統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜時(shí)所選取的強(qiáng)震數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，來(lái)比較分析兩種設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的差別。

表6 GB50267 -97硬土巖場(chǎng)地豎直向標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜控制點(diǎn)周期及其譜值Table 6 Periods and amplification factors corresponding to the control points of the GB50267 -97 vertical spectra for hard soil site

圖5 硬土水平向GB50267 -97設(shè)計(jì)反應(yīng)譜Fig. 5 Horizontal spectra of GB50267 -97 for bedrock site

圖6 硬土豎直向GB50267 -97設(shè)計(jì)反應(yīng)譜Fig. 6 Vertical spectra of GB50267 -97 for bedrock site

從上圖7、8可以看出GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜在短周期0. 03 s -0. 1 s無(wú)論是硬土還是基巖場(chǎng)地反應(yīng)譜均比美國(guó)高，而大于0. 2 s尤其是豎向反應(yīng)譜比美國(guó)的低，出現(xiàn)這種情況可能與在擬合GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜時(shí)采用了很多震級(jí)較小的地震記錄有關(guān)。

同時(shí)，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)日本核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（大崎譜）［14］區(qū)分考慮了不同震級(jí)、震中距（見(jiàn)表7）。RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜、GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，在選取強(qiáng)震數(shù)據(jù)時(shí)考慮了不同震級(jí)、震中距的影響，在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜中沒(méi)有像“大崎譜”一樣區(qū)分不同震級(jí)、震中距，正如前文所述“影響地震動(dòng)的因素也會(huì)影響反應(yīng)譜”，筆者認(rèn)為在選擇擬合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的強(qiáng)震數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)盡量來(lái)自不同震級(jí)、不同震中距的地震。這也可以解釋為何RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化為AP1000標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜時(shí)，適當(dāng)調(diào)高了高頻部分的譜值，就是考慮美國(guó)東部潛在廠址的地震動(dòng)特性。

圖7 GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與RG1. 60譜水平向比較Fig. 7 Spectra of the GB50267 -97 design spectra compared with RG 1. 60 at the horizontal

圖8 GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與RG1. 60譜豎向比較Fig. 8 Spectra of the GB50267 -97 design spectra compared with RG 1. 60 at the vertical

表7 大崎譜各控制點(diǎn)的坐標(biāo)Table 7 Coordinates of the control point of JEAG 4601 -1987

3. 2 統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜方法

從表1 -2可以看出RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是放大系數(shù)譜。其采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)——加速度放大系數(shù)和位移放大系數(shù)，并且其是按照固定比例取值，通過(guò)控制點(diǎn)的放大系數(shù)乘以加速度放大系數(shù)或位移放大系數(shù)得到控制點(diǎn)的加速度譜值或位移譜值。也就是說(shuō)，RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜在短周期段主要考慮了加速度的影響，在長(zhǎng)周期段則主要考慮了位移的影響。

GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜的方法首先將地震記錄都放縮到PGA為1. 0 g，然后統(tǒng)計(jì)這些放縮后地震動(dòng)的偽速度反應(yīng)譜得到設(shè)計(jì)反應(yīng)譜［15］。GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜分為加速度和速度控制段［13］，按最小二乘法擬合標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜。國(guó)內(nèi)外很多研究表明：位移和震害關(guān)系密切，如郝敏和謝禮立等人［16］分析集集地震的震害情況。另外，可以看到表7中日本核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是以速度峰值體作為標(biāo)定參數(shù)的。

RG 1. 60設(shè)計(jì)反應(yīng)譜以加速度和位移為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜的標(biāo)定參數(shù)，主要考慮了加速度和位移的影響。GB設(shè)計(jì)反應(yīng)譜分為加速度和速度控制段。筆者認(rèn)為應(yīng)綜合考慮不同周期段受不同參數(shù)的影響，在統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜時(shí)，考慮加速度、位移、速度這三個(gè)參數(shù)是比較合理的。在短周期段主要考慮加速度的影響、在中長(zhǎng)周期段主要考慮速度的影響、在長(zhǎng)周期段則主要考慮位移的影響。

4 關(guān)于核電廠抗震反應(yīng)譜的討論

鑒于以上的比較分析，筆者認(rèn)為核電廠抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜應(yīng)從以下兩點(diǎn)進(jìn)行深入考慮。

第一，在選取統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜的強(qiáng)震數(shù)據(jù)時(shí)，為了盡可能滿足本地區(qū)的抗震設(shè)計(jì)要求，應(yīng)盡量選用本國(guó)、本地區(qū)的強(qiáng)震數(shù)據(jù)，同時(shí)應(yīng)盡量選取不同震級(jí)、不同震中距的強(qiáng)震數(shù)據(jù)。

第二，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜在不同的周期段受不同的參數(shù)的影響也不盡相同。在統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜方法上，應(yīng)考慮不同周期段采用不同的參數(shù)。

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The Comparison Between Seismic Design Spectra of NNPs in China and the RG 1. 60 Spectra in USA

LI Liang1，Yang Yu1，ZHAN Jiashuo1，QIN Feng2，LU Yu1，*
（1. Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China；2. China Nuclear Power Engineering Co.，Shenzhen 518000，China）

Abstract：Seismic design spectra are very important for defining earthquake action and evaluating the safety of nuclear power plants（NPPs）. This paper performs comparative analysis on the spectra of NPP seismic design code in China and the R. G. 1. 60 spectra in USA，in light of the statistic in strong ground motion recordings which are used to develop design spectra and the statistical methods. The result is useful to deep understand the key factors which should be taken into consideration during the determination of seismic design spectra，and could be a reference for the seismic design of NPP and relevant nuclear safety review.

Key words：seismic design spectra of NPPs，the R. G. 1. 60 spectra，strong ground motion recording，statistical method

中圖分類(lèi)號(hào)：P315

文章標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5360（2016）02-0058-06

收稿日期：2016-02-13 修回日期：2016-03-25

基金項(xiàng)目：環(huán)保公益性行業(yè)科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào) 201309056，國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào) 51408255

作者簡(jiǎn)介：李亮（1986—），男，黑龍江大慶人，現(xiàn)主要從事核電廠與核設(shè)施安全審評(píng)工作

*通訊作者：路 雨，E-mail：luyu@ chinansc. cn