研究堆构筑物抗震设计中的地震反应谱对比分析1

朱秀云 潘 蓉 朱京圣 张 鸥

1）环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082

2）滨州市中心血站，山东滨州 256613

引言

目前，我国在役和在建的研究堆已有20多座，这些研究堆的堆型、用途、功率水平、设计原理、运行方式、安全特性等不尽相同，不同类型研究堆的安全设计要求、运行模式和管理也有很大的差别（宋琛修等，2013）。国家核安全局（2013）发布的《研究堆安全分类（试行）》将研究堆分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类。

过去，我国比较关注核电厂的安全，为核电厂的抗震设计编制了一系列标准规范，已经形成了完整的分析和评价方法。而对研究堆的抗震设计，却并没有专门的规范，Ⅰ、Ⅱ类研究堆仍按照以往的设计经验进行处理，缺少相关的理论依据和法规标准支持（孙锋等，2016）。“5·12”汶川地震给四川省的研究堆带来了前所未有的威胁，也提醒人们在今后的研究堆设计中，应针对研究堆的不同类别，合理地进行抗震设计，以保证其有足够的能力抵御地震的危害，从而保证人员和环境的安全（潘蓉，2010）。

2003年，国际原子能机构（International Atomic Energy Ageny，简称IAEA）颁布了技术文件《除核电厂之外的其他核设施设计中对外部事件（以地震为主）的考虑》（TECDOC—1347），用于除核动力厂以外核设施与外部事件相关的选址和设计，其中包括研究堆（International Atomic Energy Agency，2003）。此文件推荐了除核电厂之外的其它核设施设计需要考虑的地震水平，并推荐了设计地震反应谱。我国在其它核设施的抗震设计中，通常依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）的方法进行抗震设计。

本文主要介绍IAEA的TECDOC—1347推荐的设计地震反应谱，通过与RG 1.60及《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中的设计反应谱进行对比分析，总结了TECDOC—1347推荐的研究堆设计反应谱的特点。

1 TECDOC—1347推荐的设计地震反应谱

1.1 物项的设计等级划分

首先，基于风险控制的原则，TECDOC—1347对除核动力厂之外的核设施（包括研究堆）的放射性潜在风险进行安全分级，共分为4级。1级（即高度风险级）：具有显著的厂外放射性污染潜势；2级（即中度风险级）：具有明显的厂内放射性污染潜势，并具有高度临界风险；3级（即低度风险级）：具有明显的厂内放射性污染潜势；4级（即常规风险级）：“工业风险”，常规的工业厂房。

其次，将抗外部事件相关的物项（包括结构、系统和部件）进行分级。识别需要考虑外部事件和相关要求的物项，通过该物项的抗外部事件分级，以确定合理的设计基准。结构、系统及部件（SSCs）可分为外部事件1级（EEC1）、外部事件2级（EEC2）和外部事件3级（EEC3）。安全相关物项为外部事件1级，相关作用物项为外部事件2级，其他物项为外部事件3级。

最后，依据以上划分的设施风险等级和物项的抗外部事件等级，确定物项的设计等级（DC），共4级，具体划分见表1。

表1 设施风险分级、物项抗外部事件分级与物项设计等级的关系Table 1 Relationship between facility hazard classification, external event class and design class

1.2 物项的抗震设防标准

针对不同的设计等级采用不同的抗震设防标准。对于设计1级（DC1）的结构，要求保证全部功能；整个结构在遭遇设计基准地震（DBE）时为准弹性状态。此状态是针对整体结构的响应而言，不考虑地震前及地震后不可避免的混凝土开裂。对于设计2级（DC2）的结构，要求保证具有支承安全相关部件、设备及系统的能力。在遭遇设计基准地震事件（DBE）时，允许结构出现有限的非弹性变形，通过控制结构的延性系数实现，此延性系数需要比设计3级（DC3）结构小。对于设计3级（DC3）的结构，在遭遇设计基准地震事件（DBE）时，要求结构在非弹性状态下不倒塌，通过控制结构的延性系数保证。综上，对设计1级的结构，按核电厂的抗震设计标准进行设计；对设计2级与设计3级的结构，采用不同的延性系数进行简化而保守的设计；对设计4级（DC4）的结构，可采用常规工业建筑的抗震设计规范。

对于不同设计等级的研究堆，其设计中需要考虑不同的设计基准地震动水平，TECDOC—1347推荐了对应的年平均超越概率，不同设计等级结构的抗震设计要求见表2。

表2 不同设计等级结构的抗震设计要求Table 2 Contrast for aseismic design requirements of different design class

1.3 设计地震反应谱的确定

对于设计等级为1级的研究堆，其设计基准地震要依据核电厂选址中的相应要求予以确定。TECDOC—1347中推荐了用于2级及以下核设施的地震设计基准。其中，基于区域范围最大历史地震烈度评价设计基准地震动，对每个抗震设计烈度水平指数，自由场对应硬持力层设计加速度的最小值要满足表3的要求。

表3 确定最小自由场设计加速度Table 3 Assigned the minimum free-field design accelerations

我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）规定的抗震设防烈度和设计基本地震加速度的对应关系如表4所示。需要指出的是，此设计基本地震加速度为50年超越概率10%的地震加速度的设计取值。不同抗震烈度设防地震的地震影响系数最大值也列于表4中。

表4 抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系Table 4 Relationship between seismic precautionary intensity and basic designed acceleration of ground motion

由表3可知，对于最大历史地震烈度Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度区，硬持力层设计加速度可取值为0.1g、0.2g、0.4g，与表4中相应抗震设防烈度的设计基本地震加速度取值是一致的。

对于设计反应谱的确定，在缺乏由仪表或历史记录数据确定的厂址特定反应谱的情况下，TECDOC—1347推荐了不同设计烈度水平和不同场地土类别的标准设计反应谱，同时还要结合表3中的最小硬持力层设计加速度使用。场地土类别主要依据剪切波速进行划分，如表5所示。

表5 场地土的类别划分Table 5 Classification of site soil types

针对设计烈度水平指数1、2，对应3种场地土的归一化加速度设计反应谱值（5%阻尼比）见表6，反应谱曲线见图1。针对设计烈度水平指数3，对应3种场地土的归一化加速度设计反应谱值（5%阻尼比）见表7，反应谱曲线见图2。

表6 设计烈度水平指数1、2的归一化设计反应谱值Table 6 The normalized value of design response spectrum for designing intensity level 1 and 2

表7 设计烈度水平指数3的归一化设计反应谱值Table 7 The normalized value of design response spectrum for designing intensity level 3

由图1、2可见，在相同的烈度水平指数下，随着场地土剪切波速的增加，反应谱的峰值均有所提高，且向高频方向移动。由表6、7可见，在相同的烈度水平指数下，随着场地土剪切波速的增加，谱峰值对应的频段越宽。如针对烈度水平指数1、2，1、2、3类场地土对应的频率宽度分别为5Hz、3.33Hz和1.09Hz；针对烈度水平指数3，1、2、3类场地土对应的频率宽度分别为7.5Hz、3.06Hz和1.375Hz。

对比图1、2可以看出，对于同一种类场地土，设计地震加速度水平较低时（烈度水平指数1、2，设计加速度0.1g、0.2g），反应谱的峰值频段较窄；设计地震加速度水平较高时（烈度水平指数3，设计加速度0.4g），反应谱的峰值频段较宽。

图1 设计烈度水平指数1与2的设计反应谱Fig.1 Design response spectrum for designing intensity level 1 and 2

图2 设计烈度水平指数3的设计反应谱Fig.2 Design response spectrum for designing intensity level 3

2 设计地震反应谱的对比分析

2.1 RG 1.60与TECDOC—1347对比

由于用于核电厂设计的RG 1.60反应谱是基于坚硬场地提出的，所以将TECDOC—1347中用于1类场地土的设计反应谱（5%阻尼比）与其进行比较，如图3所示。比较发现，RG 1.60的设计反应谱在大部分频段可以包络TECDOC—1347的设计反应谱，TECDOC—1347的设计反应谱在局部中间频段（约5—13Hz）超出。由于设计地震加速度水平较高时（烈度水平指数3，设计加速度0.4g），TECDOC—1347的设计反应谱峰值对应的频段较宽，其与RG 1.60的反应谱相接近。

图3 RG 1.60与TECDOC—1347设计反应谱的对比Fig.3 Comparison of design response spectrum between RG 1.60 and TECDOC—1347

2.2 《建筑抗震设计规范》与TECDOC—1347对比

我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）采用“三水准”设防标准，即小震不坏、中震可修、大震不倒。其中，小震是指50年超越概率为63%的多遇地震（重现周期约50年）；中震为50年超越概率为10%的基本地震（重现周期约475年）；大震为50年超越概率为2%—3%的罕遇地震（重现周期约2000年）。《建筑抗震设计规范》的设计反应谱针对不同的地震烈度区，其地震影响系数最大值不同。影响反应谱曲线的2个重要参数是地震影响系数最大值αmax和特征周期Tg。其中，地震影响系数最大值αmax依据设防烈度确定，特征周期Tg依据场地类别和地震分组情况确定，反映了场地条件和近、中、远地震的影响。《建筑抗震设计规范》定义的I0类场地土为剪切波速大于800m/s的坚硬土或基岩；TECDOC—1347定义的1类场地土为剪切波速大于1100m/s的硬持力层，见表5。这2种场地均为硬持力层，具有可比性，因此选用此2种场地条件对应的地震反应谱进行比较，见图4，其中，《建筑抗震设计规范》中反应谱的特征周期Tg取地震分组第3组的对应值0.3s。由于《建筑抗震设计规范》中Ⅱ、Ⅲ类场地的划分与TECDOC—1347中2、3类场地土的划分不一致，故不对其进行对比。

由图4可见，除局部高频（约大于17Hz）部分，其它频段中TECDOC—1347推荐的设计反应谱，尤其烈度水平指数3对应的反应谱，远远包络《建筑抗震设计规范》的设计反应谱。由于一般研究堆构筑物的主要频率较低，在高频部分的振型参与系数较小，所以TECDOC—1347推荐的反应谱具有一定的保守性。

图4 GB 50011—2010与TECDOC—1347反应谱的对比Fig.4 Comparison of design response spectrum between GB 50011—2010 and TECDOC—1347

3 结论

本文通过与RG 1.60及《建筑抗震设计规范》中的设计反应谱进行对比分析，总结了TECDOC—1347推荐的研究堆设计反应谱的特点。主要结论如下：

（1）RG 1.60设计反应谱在大部分频段可以包络TECDOC—1347的设计反应谱，在局部中间频段（约5—13Hz），TECDOC—1347的设计反应谱超出。在设计地震加速度水平较高时（烈度水平指数3，设计加速度0.4g），TECDOC—1347的设计反应谱与RG 1.60相接近。

（2）在1类场地条件下，除局部高频（约大于17Hz）部分，TECDOC—1347推荐的设计反应谱，尤其烈度水平指数3对应的反应谱，远远包络《建筑抗震设计规范》的设计反应谱。TECDOC—1347推荐的反应谱具有一定的保守性。

（3）对于我国的Ⅲ类研究堆，可采用核电厂的抗震设计规范进行设计；Ⅰ类研究堆可采用民用建筑的抗震规范进行设计；Ⅱ类研究堆的设计可借鉴TECDOC—1347的思路。对于不同设计等级的研究堆，考虑不同的年超越概率水平的地震输入。