核设施抗震设计中的设计地震反应谱

潘蓉

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

核设施抗震设计中的设计地震反应谱

潘蓉

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

对于除核电厂以外的其他核设施，国际原子能机构的技术文件中推荐使用一组适用于不同场地情况的标准设计反应谱。通过研究分析其特点，并将GB50011－2010规范中推荐的设计反应谱与其他核设施反应谱相对比，为核设施设计中适当选择设计反应谱提供参考。

其他核设施;设计地震反应谱;外部事件分类

随着现代工业的发展和人们生活水平的不断提高，日常的生产生活对于电力的需求日益增长。从发展清洁能源的角度出发，我国正在规划建设更多的核电站以及与之配套的其他核设施。由于核电厂和其他核设施中包含有放射性物质，对社会和环境具有潜在的安全影响。因此，核电厂中建筑结构的设计要考虑比常规建筑物更高的安全裕度，而对于其他核设施也要依据其固有的安全特性采用适当的设计标准，以保证合理的安全裕度。过去，人们一般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，而对于除核电厂以外的其他核设施的抗震设计没有专门的规范可以依据，经常采用民用规范进行设计。“512汶川地震”给四川省核设施带来了前所未有的威胁，也提醒我们在今后的核设施设计中应针对核设施的特点，适当地对其抗震设计予以考虑，以保证核设施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。

下文结合其他核设施的特点，将国际原子能机构推荐的核设施设计地震反应谱与用于核电厂设计的反应谱及我国“建筑物抗震设计规范”的设计反应谱进行对比，以对核设施的抗震设计起到帮助作用。

1 国际原子能机构推荐的用于其他核设施设计的设计地震反应谱

1.1 其他核设施的特点

除核电厂以外其他核设施具有以下特点：

(1)与核电厂相比，其项目投资相对有限，用于厂址勘察的费用也不像核电厂那么充裕，因此厂址调查的范围不可能像核电厂那么大;

(2)与常规设施相比，其他核设施中包含有放射性物质，对公众和环境具有潜在的威胁;

(3)其他核设施种类较多、涉及的范围较广，各种设施的安全特性相差较大。

由于其他核设施具有上述特点，在国际原子能机构2003年颁布的技术文件TECDOC 1347“Consideration of External Events in The Design of Nuclear Facilities Other than Nuclear Power Plants，with Emphasis on Earthquakes”［3］中，推荐采用保守与简化的方法进行其他核设施的抗震设计，从而使设计达到经济性与安全性的统一。

1.2 其他核设施的抗震设计方法

考虑到其他核设施种类的多样性，对其抗震设计设防标准进行统一的规定存在一定的困难。因此，在该技术文件中，采用对设施分级、物项分类的方法确定其抗震设计设防要求。具体的分级设计过程包括：

(1)依据设施的放射性储量进行设施风险分级;

(2)根据设施中具体物项在安全上的重要性，对物项进行“抗外部事件分类”;

(3)依据以上划分的设施风险等级和物项的抗外部事件分类确定物项的设计等级，最终对不同的设计等级采用不同的抗震设防标准。表1为设施分级、物项分类与设计分级的关系。

表1 为设施分级、物项分类与设计分级的关系［3］

物项的设计等级共分为4级，设计1级的物项按核电厂的设计标准进行设计;设计4级的物项按民用抗震规范进行设计;设计2级与设计3级物项按技术文件提出的设计要求，采用不同的延性系数进行设计。

核设施中物项的设计等级确定之后，其设计中考虑的地震水平就可以确定。不同设计等级考虑的地震事件平均超越概率见表2。

表2 核设施不同设计级别物项考虑的地震事件的超越概率［3］

1.3 其他核设施设计反应谱的提出

如表2所示，设计等级为1级的核设施，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2级以下设施的设计基准评价要求。

其他核设施标准设计反应谱引用的是日本“高压石油天然气生产设施抗震设计规范”中的设计反应谱，该规范是由东京大学地震研究中心于1981年编制。据负责编制工作的专家介绍，在该规范编制的同时，地震研究中心也参与了日本“建筑物设计规范”的审查。“建筑物设计规范”中的设计反应谱是基于日本建设省咨询委员会的研究成果提出的，主要用于除高层建筑以外的普通建筑物。东京大学地震研究中心将该反应谱引用于“高压石油气生产设施抗震设计规范”并作了局部调整。在1991年出版的JEAG4601“核电厂抗震设计技术指南”中，对于核电厂B、C级设施的设计，引用了“高压石油气生产设施抗震设计规范”该部分内容。也就是说，该设计反应谱在日本也用于核电厂B、C级设施的抗震设计。

1.4 其他核设施设计反应谱的形状

技术文件推荐的设计反应谱是针对于3种地震烈度水平和3种场地土情况提出的水平地震反应谱。烈度水平1对应于小于8度的情况;烈度水平2对应于大于等于8度小于9度的情况;烈度水平3对应于大于等于9度的情况 (见表3)。场地土情况依据剪切波速划分，具体情况见表4。反应谱基本形状适用于5%阻尼比，对于其他阻尼比技术文件给出了调整系数。图1、图2分别为技术文件中给出的烈度水平1、2的设计反应谱和烈度水平3的设计反应谱。

表3 确定最小自由场设计加速度［2］

表4 场地土类型［2］

图1 TECDOC 1347烈度水平1、2的设计反应谱

图2 TECDOC 1347烈度水平3的设计反应谱

从图2、图3中可以看出，在相同的烈度水平下，随着场地土剪切波速的增加，反应谱的峰值有所提高，峰值所在频段也随场地土剪切波速的增加向高频方向移动。

1.5 TECDOC 1347设计反应谱与RG1.60反应谱［1］的比较

由于RG1.60反应谱是基于坚硬场地提出的，所以将TECDOC 1347用于1类场地土的设计反应谱与5%阻尼比的RG1.60反应谱进行比较，见图3。

比较发现，RG1.60反应谱在大部分频段可以包络 TECDOC 1347设计反应谱，只在10Hz拐点附近的频段TECDOC 1347设计反应谱有局部超出。在设计地震加速度水平较小时(烈度水平1、2，加速度小于等于 0.2g)， TECDOC 1347设计反应谱峰值频段较窄;在设计地震加速度水平较高时 (烈度水平3，加速度等于0.4g)，TECDOC 1347设计反应谱与RG1.60反应谱比较接近。

图3 RG1.60反应谱与TECDOC 1347反应谱的比较

2 我国《建筑抗震设计规范》GB50011－2010［3］推荐的设计反应谱

在其他核设施的抗震设计中，经常采用对于安全上重要的结构采用民用抗震设计规范的设防烈度提高1度设防的方法进行设计。这种方法对于设计院来说应用起来比较方便，下面通过分析比较说明这种方法的保守性。

2.1 《建筑抗震设计规范》设计基本地震

《建筑抗震设计规范》采用“三水准”设防：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50年);中震为50年超越概率为63%的基本地震 (重现周期475年);大震为50年超越概率为2% ～3%的罕遇地震 (重现周期1642～2475年)。用烈度来衡量，多遇地震即众值烈度比基本烈度低1.55度，而大震烈度比基本烈度高1度。

在设计中通过以多遇地震输入下结构保持弹性性状以实现“小震不坏”;通过关键部位的局部加强和构造措施实现“中震可修”;对于重要建筑物通过进行罕遇地震下薄弱层验算保证“大震不倒”，进而实现三水准设防目标。

由此可见，常规建筑物抗震分析所输入的地震动与核电厂抗震I类构筑物的输入地震动差异很大：常规建筑物弹性阶段分析中输入的是50年一遇的地震动;倒塌验算中输入的是约2000年一遇的地震动，而核设施1级构筑物准弹性阶段分析中输入的是10000年一遇的地震动;2级核设施构筑物分析中输入的是2000年一遇的地震动，允许结构进入部分非线性;3级核设施构筑物抗倒塌分析中输入的是1000年一遇的地震动;4级核设施构筑物分析中输入的是约500年一遇的地震动，可按常规建筑物方法考虑。为了使上述表述更清晰，特列出各种建筑物的设计要求见表5。

表5 常规建筑物与各级核设施构筑物的抗震分析要求对照表

应说明的是，《建筑抗震设计规范》中的提高1度设计对于甲类建筑物和乙类建筑物的要求是不同的：甲类建筑物考虑的地震作用高于本地区基本烈度，取值按批准的地震安全性评价结果确定，而抗震措施提高1度;乙类建筑物考虑的地震作用符合本地区基本烈度，抗震措施提高1度。因此，可以理解为：甲类建筑物为完全的提高1度;乙类建筑物只是构造上提高1度。从上述分析可以进一步确定：地震作用提高1度进行设计可保证建筑物在不小于500年一遇的地震作用下处于弹性状态;在2000年一遇的地震作用下局部进入非线性。

2.2 《建筑抗震设计规范》设计反应谱

《建筑抗震设计规范》的设计地震动是用地震影响系数α曲线给出的，是以g为单位的反应谱。规范给出了不同阻尼比ζ的α谱曲线，如图4所示。

影响α谱曲线的两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依据场地条件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，也在一定程度上反映了震级的影响。

图4 地震影响系数曲线［3］

2.3 《建筑抗震设计规范》设计反应谱与TECDOC 1347设计反应谱的比较

要将《建筑抗震设计规范》设计反应谱与TECDOC 1347设计反应谱进行比较，必须找出同等条件下的反应谱进行比较。考虑到影响《建筑抗震设计规范》设计反应谱的因素主要是地震分组和场地类型，因此从这两个方面确定用于比较的反应谱。首先，对于地震分组：考虑到TECDOC 1347技术文件中考虑的地震为将厂址周围一定范围的最大观测地震假定放到厂址上，所以《建筑抗震设计规范》中的地震分组相应的取第1组;对于场地土的划分《建筑抗震设计规范》与TECDOC 1347技术文件中的场地土划分布并不完全对应：《建筑抗震设计规范》中的1类场地土为剪切波速大于500m/s的坚硬土或基岩;TECDOC 1347技术文件中的1类场地土为剪切波速大于1100m/s的硬持力层 (见表2)，两者对于大于1100m/s的坚硬场地具有部分可比性，因此选用这两种条件对应的反应谱进行比较，如图5所示。

通过图5比较可以发现，除局部高频部分有局部超出外，TECDOC 1347反应谱可以包络《建筑抗震设计规范》设计反应谱，而且反应放大系数最大值比《建筑抗震设计规范》大40%。

对于国内设计院通常采用的按《建筑抗震设计规范》提高1度进行分析计算的做法，考虑到烈度提高1度，加速度峰值提高1倍，将加速度峰值提高1度后的《建筑物抗震设计规范》反应谱与TECDOC 1347反应谱进行比较可以发现 (见图6)，对于1类场地土、近震情况，提高1度后《建筑抗震设计规范》反应谱可以完全包络烈度小于9度时的TECDOC 1347反应谱;对于烈度大于等于9度的情况，从图形上看，提高1度后《建筑抗震设计规范》反应谱在大部分频段包络TECDOC 1347反应谱，超出部分超出量很有限。但由于我国《建筑抗震设计规范》只适用于6、7、8和9度地区，对于设防烈度大于9度的情况不在其适用范围，所以也不需要对这种情况进行进一步研究。

图5 1类场地土TECDOC 1347反应谱与GB50011反应谱

图6 1类场地土TECDOC 1347反应谱与GB50011反应谱

由于《建筑抗震设计规范》的2类场地与3类场地的划分，与TECDOC 1347中场地划分布不能完全对应，所以这里分别将《建筑抗震设计规范》的2、3类场地反应谱与TECDOC 1347技术文件的2类及3类场地反应谱进行对比 (见图7和图8)。

图7 GB50011反应谱2、3类场地，第1组与TECDOC 1347反应谱2类场地

图8 GB50011反应谱2、3类场地，第1组与TECDOC 1347反应谱3类场地

从图中可以看出，TECDOC 1347技术文件的2类场地反应谱放大系数最大值高于《建筑抗震设计规范》2类和3类场地反应谱的最大值;峰值频率向低频方向移动;大部分频段可包络《建筑抗震设计规范》反应谱。《建筑抗震设计规范》3类场地、近震反应谱提高1度后可完全包络TECDOC 1347技术文件9度以下2类场地反应谱;大部分频段可包络TECDOC 1347技术文件9度及9度以上2类场地反应谱。由于《建筑抗震设计规范》的适用范围限制，对于9度以上的情况可不做进一步研究。

TECDOC 1347技术文件的3类场地反应谱放大系数最大值与《建筑抗震设计规范》2类和3类场地反应谱的最大值相差不大;但峰值频率向低频方向移动很多，峰值频段与《建筑抗震设计规范》反应谱完全错开。《建筑抗震设计规范》3类场地、近震反应谱提高1度后在1Hz以下频段不能包络TECDOC 1347技术文件3类场地反应谱;反应放大系数是TECDOC 1347技术文件3类场地反应谱放大系数的2倍。

总之，当场地条件满足TECDOC 1347技术文件1类场地、厂址地震在9度以下的情况，采用《建筑抗震设计规范》1类场地、近震地震作用提高1度对核设施进行抗震设计，其结果的保守性可以满足TECDOC 1347技术文件的要求;当场地条件为TECDOC 1347技术文件2类场地、厂址地震在9度以下的情况下，采用《建筑抗震设计规范》3类场地、近震地震作用提高1度对核设施进行抗震设计，其结果的保守性可以满足TECDOC 1347技术文件的要求。当场地条件为TECDOC 1347技术文件3类场地不推荐使用《建筑抗震设计规范》地震作用提高1度的做法对核设施进行抗震设计。

3 结论

通过上述分析比较可以归纳出以下结论，以在核设施设计时对设计地震反应谱的选取与应用有所参考：

(1)RG1.60反应谱在大部分频段可以包络TECDOC 1347的1类设计反应谱，只在10Hz拐点附近的频段TECDOC 1347设计反应谱有局部超出。在设计地震加速度水平较小时(烈度水平 1、2，加速度小于等于0.2g)，TECDOC 1347设计反应谱峰值频段较窄;在设计地震加速度水平较高时 (烈度水平3，加速度等于0.4g)，TECDOC 1347设计反应谱与RG1.60反应谱比较接近。

(2)当场地条件满足TECDOC 1347技术文件1类场地、厂址地震在9度以下的情况下，采用《建筑抗震设计规范》1类场地、近震地震作用提高1度对核设施进行抗震设计，其结果的保守性可以满足TECDOC 1347技术文件的要求;

(3)当场地条件为TECDOC 1347技术文件2类场地、厂址地震在9度以下的情况下，采用《建筑抗震设计规范》3类场地、近震地震作用提高1度对核设施进行抗震设计，其结果的保守性可以满足TECDOC 1347技术文件的要求。

(4)当场地条件为TECDOC 1347技术文件3类场地不推荐使用《建筑抗震设计规范》地震作用提高1度的做法对核设施进行抗震设计。

［1］ U.S.NRC.RG1.60 Design Response Spectra for Seismic Design of Nuclear Power Plant，Revision 1，1973

［2］IAEA.Consideration of external events in the design of nuclear facilities other than nuclear power plants，with emphasis on earthquakes，TECDOC 1347.2003

［3］中华人民共和国建设部.国家标准GB50011－2010建筑抗震设计规范.2010

Design Seism ic Response Spectrum Used in the Design of Nuclear Facilities O ther than NPPs

PAN Rong
(Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China)

To the design of nuclear facilities other than nuclear power plants，there is a set of standard design seismic spectrum for different kind of sites recommended in IAEA TECDOC 1347.The characteristics of the spectrum are studied in this paper，and comparing work is conducted between the spectrum and the one recommended in Chinese standard GB50011—2010.The results are useful in the choosing of reasonable design spectrum in the design of nuclear facilities other than NPPs.

nuclear facilities other than NPPs;design seismic spectrum;external event class