核电厂应急指挥中心抗震性能分析

王芳 林海

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

0 引言

核电厂应急指挥中心是核电厂营运单位应急响应的指挥、管理和协调中枢，是应急期间应急响应指挥部的工作场所。根据《核动力厂设计安全规定》，每个核电厂必须设置一个与核电厂控制室相分离的厂内应急控制中心，作为应急事故发生时，应急指挥人员工作、生活的场所，并且可以长时间保护在场人员，以便防止严重事故对他们的危害。

日本福岛事故以前，已建或在建(包括现有设计)的应急指挥中心属于与核安全无关的Ⅲ类物项，即核电厂中与核安全无关的物项。根据GB 50223-2008建筑工程抗震设防分类标准设施属于标准设防类，即除了特殊设防、重点设防和适度设防外按标准要求进行设防的建筑，为丙类建筑。日本福岛事故后，国家对于核电厂的核安全以及核应急提出了更高要求。国家核安全2012年发布了《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》(以下简称《通用技术要求》)，根据此规定，应急控制中心按厂址所在地区地震基本烈度提高1度进行抗震设计，并按照设计基准地震动SL2(相当的地面加速度)进行校核。

1 核电厂与民用建筑抗震设计的区别

核电厂建筑抗震标准与一般民用建筑抗震标准有所不同:

1)建筑物分类不同。核电厂中的建筑根据其对核安全的重要性划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ类物项，民用建筑根据其功能的重要性分为甲、乙、丙、丁四个类别。

2)抗震设计原则不同。民用建筑的抗震设防目标是“三水准，两阶段设计”。核电厂中核安全有关的厂房抗震设计是按照厂址的运行安全地震震动(SL1)和极限安全地震震动的加速度(SL2)进行计算。

3)设计反应谱不同。核电厂抗震设计一般采用美国RG1.60谱或场地地震相关反应谱，民用建筑抗震按地震影响曲线计算。此曲线相当于地面反应谱。

4)地面加速度取值不同。民用建筑抗震设计时根据建筑物所在厂址的抗震设防烈度进行设计的，基本地震加速度是按50年的设计基准期超越概率10%(重现期475年)的地震加速度作为设计取值。SL1的加速度是设计基准期中年超越概率为2‰的地震震动。SL2加速度是按在设计基准期中年超逾概率为0.1‰(重现期为10 000年)的地震加速度作为设计取值。

若用核电厂抗震设计规范规定的反应谱对应急指挥中心进行设计会高于《通用技术要求》的标准，按“三水准、两阶段”的小震作用进行抗震设计则没有满足其要求，因此按SL2相当的地面加速度进行弹性设计是合适的。

2 应急指挥中心抗震设计

2.1 工程概况

某核电厂应急指挥中心为现浇钢筋混凝土抗震墙结构，平面尺寸为56.1 m×17.4 m，地上2 层，底层层高6.55 m，第二层层高4.35 m，墙厚均为300 mm，第一层板厚按跨度和工艺的要求分为150 mm，200 mm，300 mm，顶层板厚300 mm。混凝土采用C35混凝土。基础采用混凝土墙下条形基础。

本建筑物按使用年限50年设计，建筑场地类别为Ⅰ1类，设计地震分组为第三组，特征周期为0.35 s，结构安全等级为一级，抗震设防烈度为7度(0.10g)，建筑抗震设防类别为甲类。平面图见图1。此类建筑的特点是只有墙、板和梁，没有柱子。

图1 平面图

楼面活荷载2.5 kN/m2，屋面恒荷载按6 kN/m2考虑，活荷载0.5 kN/m2，基本风压 1.00 kN/m2，地面粗糙度类别 A 类。

设计过程中，我们采用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部开发的SATWE软件进行结构中震弹性计算。在中震弹性设计时，结构处于弹性状态，没有内力调整系数，但保留了荷载分项系数，材料强度按设计强度取值。PKPM分析方法过程简单，而且可以直接求得配筋结果。

现用有限元软件ANSYS做谱分析，进一步对该结构的动力特性和抗震性能进行分析，并将计算结果与PKPM计算的结果进行对比。

2.2 地震反应谱数值取值

根据《通用技术要求》，应急指挥中心在民用规范体系下，结构设计按照建筑结构抗震设计规范的基本烈度增加1度即按照8度进行抗震设计，本场地的极限安全地震动SL2的水平地面加速度峰值0.2g，所以按8度(0.2g)进行结构的中震弹性设计。当利用PKPM进行中震弹性分析时，需要修改水平地震影响系数αmax=0.444。

当 T=0时，α=0.45αmax;

令 0.45αmax=0.2，得 αmax=0.444。

在用ANSYS采用反应谱法进行地震作用的响应分析时，按照GB 50011-2010建筑抗震设计规范定义频率反应谱曲线，具体数值见表1。计算采用混凝土结构的阻尼比为0.05，ANSYS谱分析输入的谱值如图2所示。

表1 频率反应谱的相关参数

图2 ANSYS谱分析中输入的谱值

3 整体模型分析

3.1 结构模型

按实际结构布置建立有限元分析模型，墙、板用Shell63单元模拟，梁用Beam4单元模拟，设备基础用Mass21单元模拟，将恒载和活载以折合密度的形式弥散到相应的楼板上，屋面活荷载不计入，楼面活荷载组合系数取0.5。

坐标原点设置在①轴线和Ⓐ轴线的交点，X方向为结构的长边方向;Y方向为结构的短边方向;Z方向为结构的高度方向。该模型划分单元网格0.6 m，共有12 217个节点，13 337个单元。三维有限元模型见图3。

图3 三维有限元模型

3.2 模态分析

ANSYS提供的模态提取方法有子空间法、分块Lanczos法，Power Dynamics法和缩减法，本文采用子空间法提取前20阶模态。振型组合采用“平方和的平方根法”(SRSS)法。由于结构X方向尺寸远大于Y方向，Y方向的地震力起控制作用，为了更清楚地分析地震作用下结构的性能，计算时，输入Y方向的地震作用分析Y方向的变形和内力。

PKPM和ANSYS软件的模态分析结果如表2所示，在PKPM计算需要考虑楼梯对刚度的贡献。从表3可以看出，两种软件计算的结构质量相当。但ANSYS计算的频率稍微比PKPM大一点，说明ANSYS建立的三维模型刚度略大。

表2 结构主频 Hz

表3 结构质量 t

3.3 层剪力

PKPM和ANSYS软件的振型分解反应谱方法计算的层剪力结果见表4。ANSYS计算的第二层剪力结果和PKPM的结果很接近，第一层的ANSYS层剪力结果是PKPM结果的85%，主要是因为ANSYS模型中第一层的洞口和楼梯与PKPM有所不同。

表4 Y方向基底剪力 kN

3.4 结构位移

楼层的最大位移和平均位移见表5，可以看出，ANSYS计算的位移结果和PKPM计算的位移结果比较接近。

表5 Y方向地震作用下的楼层最大位移和平均位移 mm

4 结语

通过以上论述，可以得出结论，尽管民用建筑抗震设计和核安全相关物项进行抗震设计的规范要求有所不同，但是做到对规范条文的深刻理解，合理的设置计算参数，对于非框架的墙板结构，用PKPM软件也是可以代替ANSYS进行中震弹性计算的，二者计算结果相近，可以满足工程设计的需要。

［1］ANSYS土木工程应用实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2005.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［3］GB 50267-97，核电厂抗震设计规范［S］.

［4］周 颖，吕西林.中震弹性设计与中震不屈服设计的理解及实施［J］.结构工程师，2008(6):73.