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

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12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

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
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

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

图 12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 67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 12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。

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 responsespectrum 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。


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

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。

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。

参考文献
国家核安全局, 2013. 研究堆安全分类(试行)[M]. 北京: 国家核安全局.
潘蓉, 2010. 核设施抗震设计中的设计地震反应谱[J]. 核安全, (3): 36-41, 50. DOI:10.3969/j.issn.1672-5360.2010.03.007
宋琛修, 朱立新, 2013. 研究堆的分类和基于分类的安全监管思路探讨[J]. 核安全, 12(S1): 134-137.
孙锋, 栾海燕, 潘蓉, 2016. Ⅰ、Ⅱ类研究堆构筑物抗震设计初探[J]. 工业建筑, 12(S1): 165-168.
中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2010. 建筑抗震设计规范(2016年版)(GB 50011-2010)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社.
International Atomic Energy Agency (IAEA), 2003. Consideration of external events in the design of nuclear facilities other than nuclear power plants, with emphasis on earthquakes. TECDOC-1347. Vienna, Austria: IAEA.