研究堆構筑物抗震設計中的地震反應譜對比分析1

朱秀云 潘 蓉 朱京圣 張 鷗

1）環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082

2）濱州市中心血站，山東濱州 256613

引言

目前，我國在役和在建的研究堆已有20多座，這些研究堆的堆型、用途、功率水平、設計原理、運行方式、安全特性等不盡相同，不同類型研究堆的安全設計要求、運行模式和管理也有很大的差別（宋琛修等，2013）。國家核安全局（2013）發(fā)布的《研究堆安全分類（試行）》將研究堆分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類。

過去，我國比較關注核電廠的安全，為核電廠的抗震設計編制了一系列標準規(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計，卻并沒有專門的規(guī)范，Ⅰ、Ⅱ類研究堆仍按照以往的設計經(jīng)驗進行處理，缺少相關的理論依據(jù)和法規(guī)標準支持（孫鋒等，2016）?！?·12”汶川地震給四川省的研究堆帶來了前所未有的威脅，也提醒人們在今后的研究堆設計中，應針對研究堆的不同類別，合理地進行抗震設計，以保證其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（潘蓉，2010）。

2003年，國際原子能機構（International Atomic Energy Ageny，簡稱IAEA）頒布了技術文件《除核電廠之外的其他核設施設計中對外部事件（以地震為主）的考慮》（TECDOC—1347），用于除核動力廠以外核設施與外部事件相關的選址和設計，其中包括研究堆（International Atomic Energy Agency，2003）。此文件推薦了除核電廠之外的其它核設施設計需要考慮的地震水平，并推薦了設計地震反應譜。我國在其它核設施的抗震設計中，通常依據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部等，2010）的方法進行抗震設計。

本文主要介紹IAEA的TECDOC—1347推薦的設計地震反應譜，通過與RG 1.60及《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）中的設計反應譜進行對比分析，總結了TECDOC—1347推薦的研究堆設計反應譜的特點。

1 TECDOC—1347推薦的設計地震反應譜

1.1 物項的設計等級劃分

首先，基于風險控制的原則，TECDOC—1347對除核動力廠之外的核設施（包括研究堆）的放射性潛在風險進行安全分級，共分為4級。1級（即高度風險級）：具有顯著的廠外放射性污染潛勢；2級（即中度風險級）：具有明顯的廠內放射性污染潛勢，并具有高度臨界風險；3級（即低度風險級）：具有明顯的廠內放射性污染潛勢；4級（即常規(guī)風險級）：“工業(yè)風險”，常規(guī)的工業(yè)廠房。

其次，將抗外部事件相關的物項（包括結構、系統(tǒng)和部件）進行分級。識別需要考慮外部事件和相關要求的物項，通過該物項的抗外部事件分級，以確定合理的設計基準。結構、系統(tǒng)及部件（SSCs）可分為外部事件1級（EEC1）、外部事件2級（EEC2）和外部事件3級（EEC3）。安全相關物項為外部事件1級，相關作用物項為外部事件2級，其他物項為外部事件3級。

最后，依據(jù)以上劃分的設施風險等級和物項的抗外部事件等級，確定物項的設計等級（DC），共4級，具體劃分見表1。

表1 設施風險分級、物項抗外部事件分級與物項設計等級的關系Table 1 Relationship between facility hazard classification, external event class and design class

1.2 物項的抗震設防標準

針對不同的設計等級采用不同的抗震設防標準。對于設計1級（DC1）的結構，要求保證全部功能；整個結構在遭遇設計基準地震（DBE）時為準彈性狀態(tài)。此狀態(tài)是針對整體結構的響應而言，不考慮地震前及地震后不可避免的混凝土開裂。對于設計2級（DC2）的結構，要求保證具有支承安全相關部件、設備及系統(tǒng)的能力。在遭遇設計基準地震事件（DBE）時，允許結構出現(xiàn)有限的非彈性變形，通過控制結構的延性系數(shù)實現(xiàn)，此延性系數(shù)需要比設計3級（DC3）結構小。對于設計3級（DC3）的結構，在遭遇設計基準地震事件（DBE）時，要求結構在非彈性狀態(tài)下不倒塌，通過控制結構的延性系數(shù)保證。綜上，對設計1級的結構，按核電廠的抗震設計標準進行設計；對設計2級與設計3級的結構，采用不同的延性系數(shù)進行簡化而保守的設計；對設計4級（DC4）的結構，可采用常規(guī)工業(yè)建筑的抗震設計規(guī)范。

對于不同設計等級的研究堆，其設計中需要考慮不同的設計基準地震動水平，TECDOC—1347推薦了對應的年平均超越概率，不同設計等級結構的抗震設計要求見表2。

表2 不同設計等級結構的抗震設計要求Table 2 Contrast for aseismic design requirements of different design class

1.3 設計地震反應譜的確定

對于設計等級為1級的研究堆，其設計基準地震要依據(jù)核電廠選址中的相應要求予以確定。TECDOC—1347中推薦了用于2級及以下核設施的地震設計基準。其中，基于區(qū)域范圍最大歷史地震烈度評價設計基準地震動，對每個抗震設計烈度水平指數(shù)，自由場對應硬持力層設計加速度的最小值要滿足表3的要求。

表3 確定最小自由場設計加速度Table 3 Assigned the minimum free-field design accelerations

我國《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）規(guī)定的抗震設防烈度和設計基本地震加速度的對應關系如表4所示。需要指出的是，此設計基本地震加速度為50年超越概率10%的地震加速度的設計取值。不同抗震烈度設防地震的地震影響系數(shù)最大值也列于表4中。

表4 抗震設防烈度和設計基本地震加速度值的對應關系Table 4 Relationship between seismic precautionary intensity and basic designed acceleration of ground motion

由表3可知，對于最大歷史地震烈度Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度區(qū)，硬持力層設計加速度可取值為0.1g、0.2g、0.4g，與表4中相應抗震設防烈度的設計基本地震加速度取值是一致的。

對于設計反應譜的確定，在缺乏由儀表或歷史記錄數(shù)據(jù)確定的廠址特定反應譜的情況下，TECDOC—1347推薦了不同設計烈度水平和不同場地土類別的標準設計反應譜，同時還要結合表3中的最小硬持力層設計加速度使用。場地土類別主要依據(jù)剪切波速進行劃分，如表5所示。

表5 場地土的類別劃分Table 5 Classification of site soil types

針對設計烈度水平指數(shù)1、2，對應3種場地土的歸一化加速度設計反應譜值（5%阻尼比）見表6，反應譜曲線見圖1。針對設計烈度水平指數(shù)3，對應3種場地土的歸一化加速度設計反應譜值（5%阻尼比）見表7，反應譜曲線見圖2。

表6 設計烈度水平指數(shù)1、2的歸一化設計反應譜值Table 6 The normalized value of design response spectrum for designing intensity level 1 and 2

表7 設計烈度水平指數(shù)3的歸一化設計反應譜值Table 7 The normalized value of design response spectrum for designing intensity level 3

由圖1、2可見，在相同的烈度水平指數(shù)下，隨著場地土剪切波速的增加，反應譜的峰值均有所提高，且向高頻方向移動。由表6、7可見，在相同的烈度水平指數(shù)下，隨著場地土剪切波速的增加，譜峰值對應的頻段越寬。如針對烈度水平指數(shù)1、2，1、2、3類場地土對應的頻率寬度分別為5Hz、3.33Hz和1.09Hz；針對烈度水平指數(shù)3，1、2、3類場地土對應的頻率寬度分別為7.5Hz、3.06Hz和1.375Hz。

對比圖1、2可以看出，對于同一種類場地土，設計地震加速度水平較低時（烈度水平指數(shù)1、2，設計加速度0.1g、0.2g），反應譜的峰值頻段較窄；設計地震加速度水平較高時（烈度水平指數(shù)3，設計加速度0.4g），反應譜的峰值頻段較寬。

圖1 設計烈度水平指數(shù)1與2的設計反應譜Fig.1 Design response spectrum for designing intensity level 1 and 2

圖2 設計烈度水平指數(shù)3的設計反應譜Fig.2 Design response spectrum for designing intensity level 3

2 設計地震反應譜的對比分析

2.1 RG 1.60與TECDOC—1347對比

由于用于核電廠設計的RG 1.60反應譜是基于堅硬場地提出的，所以將TECDOC—1347中用于1類場地土的設計反應譜（5%阻尼比）與其進行比較，如圖3所示。比較發(fā)現(xiàn)，RG 1.60的設計反應譜在大部分頻段可以包絡TECDOC—1347的設計反應譜，TECDOC—1347的設計反應譜在局部中間頻段（約5—13Hz）超出。由于設計地震加速度水平較高時（烈度水平指數(shù)3，設計加速度0.4g），TECDOC—1347的設計反應譜峰值對應的頻段較寬，其與RG 1.60的反應譜相接近。

圖3 RG 1.60與TECDOC—1347設計反應譜的對比Fig.3 Comparison of design response spectrum between RG 1.60 and TECDOC—1347

2.2 《建筑抗震設計規(guī)范》與TECDOC—1347對比

我國《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）采用“三水準”設防標準，即小震不壞、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)周期約50年）；中震為50年超越概率為10%的基本地震（重現(xiàn)周期約475年）；大震為50年超越概率為2%—3%的罕遇地震（重現(xiàn)周期約2000年）?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》的設計反應譜針對不同的地震烈度區(qū)，其地震影響系數(shù)最大值不同。影響反應譜曲線的2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)設防烈度確定，特征周期Tg依據(jù)場地類別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?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》定義的I0類場地土為剪切波速大于800m/s的堅硬土或基巖；TECDOC—1347定義的1類場地土為剪切波速大于1100m/s的硬持力層，見表5。這2種場地均為硬持力層，具有可比性，因此選用此2種場地條件對應的地震反應譜進行比較，見圖4，其中，《建筑抗震設計規(guī)范》中反應譜的特征周期Tg取地震分組第3組的對應值0.3s。由于《建筑抗震設計規(guī)范》中Ⅱ、Ⅲ類場地的劃分與TECDOC—1347中2、3類場地土的劃分不一致，故不對其進行對比。

由圖4可見，除局部高頻（約大于17Hz）部分，其它頻段中TECDOC—1347推薦的設計反應譜，尤其烈度水平指數(shù)3對應的反應譜，遠遠包絡《建筑抗震設計規(guī)范》的設計反應譜。由于一般研究堆構筑物的主要頻率較低，在高頻部分的振型參與系數(shù)較小，所以TECDOC—1347推薦的反應譜具有一定的保守性。

圖4 GB 50011—2010與TECDOC—1347反應譜的對比Fig.4 Comparison of design response spectrum between GB 50011—2010 and TECDOC—1347

3 結論

本文通過與RG 1.60及《建筑抗震設計規(guī)范》中的設計反應譜進行對比分析，總結了TECDOC—1347推薦的研究堆設計反應譜的特點。主要結論如下：

（1）RG 1.60設計反應譜在大部分頻段可以包絡TECDOC—1347的設計反應譜，在局部中間頻段（約5—13Hz），TECDOC—1347的設計反應譜超出。在設計地震加速度水平較高時（烈度水平指數(shù)3，設計加速度0.4g），TECDOC—1347的設計反應譜與RG 1.60相接近。

（2）在1類場地條件下，除局部高頻（約大于17Hz）部分，TECDOC—1347推薦的設計反應譜，尤其烈度水平指數(shù)3對應的反應譜，遠遠包絡《建筑抗震設計規(guī)范》的設計反應譜。TECDOC—1347推薦的反應譜具有一定的保守性。

（3）對于我國的Ⅲ類研究堆，可采用核電廠的抗震設計規(guī)范進行設計；Ⅰ類研究堆可采用民用建筑的抗震規(guī)范進行設計；Ⅱ類研究堆的設計可借鑒TECDOC—1347的思路。對于不同設計等級的研究堆，考慮不同的年超越概率水平的地震輸入。