我国核电厂抗震设计反应谱和RG 1. 60设计反应谱的比较分析

李 亮，杨 宇，赵 雷，詹佳硕，覃 锋，路 雨，*

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2.中广核工程有限公司，深圳 518000）



我国核电厂抗震设计反应谱和RG 1. 60设计反应谱的比较分析

李 亮1，杨 宇1，赵 雷1，詹佳硕1，覃 锋2，路 雨1，*

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082；2.中广核工程有限公司，深圳 518000）

摘要：设计反应谱对评价核电厂在地震作用下的安全性极为重要。本文从统计核电厂抗震设计标准反应谱时选取的强震数据及统计方法两个方面，分析比较了美国RG 1. 60设计反应谱和我国核电厂抗震设计规范反应谱的异同。通过对比分析，深入理解核电厂抗震设计反应谱的提出需考虑的关键因素，为核电厂抗震设计和审评工作提供参考。

关键词：核电厂抗震设计反应谱；RG 1. 60设计反应谱；强震数据；统计方法

随着我国核电建设的快速发展，核电厂抗震安全受到广泛关注。核电厂抗震设计反应谱对评价其地震安全极为重要。为保证核电厂的抗震设计安全，正确理解核电厂抗震设计反应谱是对核电厂抗震设计及审评人员的基本要求。美国RG1. 60设计反应谱是世界上最早的核电厂抗震设计反应谱之一。该设计反应谱对多个国家的核电厂抗震设计规范影响较大，如中国、法国等，国际原子能机构对核电厂抗震设计的规定也参考了RG 1. 60设计反应谱［1］。我国已建核电厂的抗震设计中，大多都考虑了美国RG 1. 60设计反应谱［2］。在早期M310机组设计中，安全相关的“翻版设计”子项，采用与参考核电厂相同的反应谱，即RG 1. 60设计反应谱［3］。AP1000核电厂的设计反应谱提高了RG 1. 60设计反应谱的高频部分，以反映美国潜在厂址（主要是美国东部）的特征［4，5］。

本文主要从统计核电厂抗震设计标准反应谱时选取的强震数据及统计方法两个方面，对比分析了美国RG 1. 60设计反应谱和我国核电厂抗震规范（GB 50267 -97）的设计反应谱（以下简称“GB设计反应谱”）。通过对比分析，深入理解核电厂抗震设计反应谱的提出需考虑的关键因素，为核电厂抗震设计和审评工作提供参考。

1 反应谱的基本概念

1. 1 反应谱的定义

反应谱是指单质点体系地震最大反应与结构自振周期之间的关系［6］。从反应谱的基本概念来看，影响反应谱的因素主要是阻尼和地震动等，影响地震动的因素也会影响反应谱，如场地条件、震中距、震级等。因此，在分析各反应谱时也着重从以下这几个方面进行考虑。

1. 2 地震反应谱与设计反应谱的区别

地震反应谱是针对具体地震记录的反应谱［6］。设计反应谱是对设计地震力的一种规定，并不反映一次具体的地震动过程的特性，而是从工程设计的角度在总体上把握地震动特性［6］。可以是统计平均，也可以是严格概率意义上的把握，因此不受某次地震的大小、远近的影响。表征核设施的抗震能力通常使用设计地震反应谱［7］。本文所分析的反应谱均为设计反应谱，也就是说文中的反应谱不是一次地震的反应谱。

2 RG 1. 60设计反应谱与GB设计反应谱

2. 1 RG 1. 60设计反应谱

世界上很多国家都制定了专门的核电厂抗震设计反应谱，如美国、日本、中国、加拿大等。1973年的美国的核管会制定的Regulatory Guide1. 60（简称RG 1. 60）是最早的核电抗震设计反应谱之一，很多国家的核电厂抗震设计反应谱都受到它的影响，该反应谱［8，9］是综合考虑了两个独立研究团队的成果。RG 1. 60设计反应谱在不同频段分别采用加速度、位移两种放大系数，但没有考虑场地对反应谱的影响。本文选择了阻尼比2%和5%两种情况下的RG 1. 60设计反应谱的控制点频率和放大系数见表1、表2。对应的设计反应谱曲线如图1、图2所示。

表1 RG1. 60设计反应谱水平向的控制点频率和放大系数Table1 Frequencies of the control point and amplification factor of RG 1. 60 at the horizontal

表2 RG1. 60设计反应谱竖直向的控制点频率和放大系数Table 2 Frequencies of the control point and amplification factor of RG 1. 60 at the vertical

图1 水平向RG 1. 60设计反应谱Fig. 1 Horizontal spectra of RG 1. 60

图2 竖直向RG 1. 60设计反应谱Fig. 2 Vertical spectra of RG 1. 60

2. 2 GB设计反应谱

我国的《核电厂抗震设计规范》（GB 50267 -97）采纳了中国地震局工程力学研究所郭玉学等人的研究成果［10 -13］，给出了基岩和硬土两类场地的标准反应谱，阻尼比2%和5%两种情况下，核电厂抗震反应谱的控制点频率和放大系数见表3 -表6、如图3 -图6所示。该标准反应谱主要是采用了部分国内记录和部分美国西部地震记录，这些记录大多来自于5级至7级的地震。

表3 GB50267 -97基岩场地水平向标准反应谱控制点周期及其谱值Table 3 Periods and amplification factors corresponding to the control points of the GB50267 -97 horizontal spectra for bedrock site

表4 GB50267 -97基岩场地竖直向标准反应谱控制点周期及其谱值Table 4 Periods and amplification factors corresponding to the control points of the GB50267 -97 vertical spectra for bedrock site

图3 基岩水平向GB50267 -97设计反应谱Fig. 3 Horizontal spectra of GB50267 -97 for bedrock site

图4 基岩竖直向GB50267 -97设计反应谱Fig. 4 Vertical spectra of GB50267 -97 for bedrock site

表5 GB50267 -97硬土场地水平向标准反应谱控制点周期及其谱值Table 5 Periods and amplification factors corresponding to the control points of the GB50267 -97 horizontal spectra for hard soil site

3 RG 1. 60设计反应谱与GB设计反应谱的比较分析

3. 1 强震数据基础

正如前文所述，反应谱受场地条件、震中距、震级等多种因素影响。因此，本文从统计标准反应谱时所选取的强震数据的角度出发，来比较分析两种设计反应谱的差别。

表6 GB50267 -97硬土岩场地竖直向标准反应谱控制点周期及其谱值Table 6 Periods and amplification factors corresponding to the control points of the GB50267 -97 vertical spectra for hard soil site

图5 硬土水平向GB50267 -97设计反应谱Fig. 5 Horizontal spectra of GB50267 -97 for bedrock site

图6 硬土竖直向GB50267 -97设计反应谱Fig. 6 Vertical spectra of GB50267 -97 for bedrock site

从上图7、8可以看出GB设计反应谱在短周期0. 03 s -0. 1 s无论是硬土还是基岩场地反应谱均比美国高，而大于0. 2 s尤其是竖向反应谱比美国的低，出现这种情况可能与在拟合GB设计反应谱时采用了很多震级较小的地震记录有关。

同时，通过调研发现日本核电厂抗震设计反应谱（大崎谱）［14］区分考虑了不同震级、震中距（见表7）。RG 1. 60设计反应谱、GB设计反应谱，在选取强震数据时考虑了不同震级、震中距的影响，在标准反应谱中没有像“大崎谱”一样区分不同震级、震中距，正如前文所述“影响地震动的因素也会影响反应谱”，笔者认为在选择拟合标准设计反应谱的强震数据时，应尽量来自不同震级、不同震中距的地震。这也可以解释为何RG 1. 60设计反应谱转化为AP1000标准设计反应谱时，适当调高了高频部分的谱值，就是考虑美国东部潜在厂址的地震动特性。

图7 GB设计反应谱与RG1. 60谱水平向比较Fig. 7 Spectra of the GB50267 -97 design spectra compared with RG 1. 60 at the horizontal

图8 GB设计反应谱与RG1. 60谱竖向比较Fig. 8 Spectra of the GB50267 -97 design spectra compared with RG 1. 60 at the vertical

表7 大崎谱各控制点的坐标Table 7 Coordinates of the control point of JEAG 4601 -1987

3. 2 统计标准反应谱方法

从表1 -2可以看出RG 1. 60设计反应谱是放大系数谱。其采用两个标准化参数——加速度放大系数和位移放大系数，并且其是按照固定比例取值，通过控制点的放大系数乘以加速度放大系数或位移放大系数得到控制点的加速度谱值或位移谱值。也就是说，RG 1. 60设计反应谱在短周期段主要考虑了加速度的影响，在长周期段则主要考虑了位移的影响。

GB设计反应谱统计标准反应谱的方法首先将地震记录都放缩到PGA为1. 0 g，然后统计这些放缩后地震动的伪速度反应谱得到设计反应谱［15］。GB设计反应谱分为加速度和速度控制段［13］，按最小二乘法拟合标准反应谱。国内外很多研究表明：位移和震害关系密切，如郝敏和谢礼立等人［16］分析集集地震的震害情况。另外，可以看到表7中日本核电厂抗震设计反应谱是以速度峰值体作为标定参数的。

RG 1. 60设计反应谱以加速度和位移为统计标准反应谱的标定参数，主要考虑了加速度和位移的影响。GB设计反应谱分为加速度和速度控制段。笔者认为应综合考虑不同周期段受不同参数的影响，在统计标准反应谱时，考虑加速度、位移、速度这三个参数是比较合理的。在短周期段主要考虑加速度的影响、在中长周期段主要考虑速度的影响、在长周期段则主要考虑位移的影响。

4 关于核电厂抗震反应谱的讨论

鉴于以上的比较分析，笔者认为核电厂抗震设计反应谱应从以下两点进行深入考虑。

第一，在选取统计标准反应谱的强震数据时，为了尽可能满足本地区的抗震设计要求，应尽量选用本国、本地区的强震数据，同时应尽量选取不同震级、不同震中距的强震数据。

第二，设计反应谱在不同的周期段受不同的参数的影响也不尽相同。在统计标准反应谱方法上，应考虑不同周期段采用不同的参数。

参考文献

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［2］潘蓉.核设施的设计地震反应谱［J］.原子能科学技术，2008（42）：622 -629.

［3］侯春林，李小军，潘蓉，等.不同法规关于核动力厂竖向地震动要求的分析［J］.核安全，2015（14）：50 -56.

［4］李忠诚，杨孟嘉. AP1000分析与设计特点［J］.世界地震工程，2008，24（3）：137 -142.

［5］侯春林，李小军，潘蓉，等. AP1000设计地震反应谱在具体厂址评价中的应用［J］.原子能科学技术，2013（47）：1196 -1205.

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［11］郭玉学，王国新.华北地区地震动参数的确定方法（下）［J］.世界地震工程1989（4）：26 -34，43.

［12］郭玉学，王国新.华北地区基岩场地水平加速度衰减关系［J］.地震工程与工程振动，1997，10（1）：41 -49.

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［16］郝敏，谢礼立，李伟.集集地震动看建筑物的震害与震动参数的关系［J］.地震工程与工程振动，2005，25（6）：12 -15.

The Comparison Between Seismic Design Spectra of NNPs in China and the RG 1. 60 Spectra in USA

LI Liang1，Yang Yu1，ZHAN Jiashuo1，QIN Feng2，LU Yu1，*
（1. Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China；2. China Nuclear Power Engineering Co.，Shenzhen 518000，China）

Abstract：Seismic design spectra are very important for defining earthquake action and evaluating the safety of nuclear power plants（NPPs）. This paper performs comparative analysis on the spectra of NPP seismic design code in China and the R. G. 1. 60 spectra in USA，in light of the statistic in strong ground motion recordings which are used to develop design spectra and the statistical methods. The result is useful to deep understand the key factors which should be taken into consideration during the determination of seismic design spectra，and could be a reference for the seismic design of NPP and relevant nuclear safety review.

Key words：seismic design spectra of NPPs，the R. G. 1. 60 spectra，strong ground motion recording，statistical method

中图分类号：P315

文章标志码：A

文章编号：1672-5360（2016）02-0058-06

收稿日期：2016-02-13 修回日期：2016-03-25

基金项目：环保公益性行业科研项目，项目编号 201309056，国家青年科学基金项目，项目编号 51408255

作者简介：李亮（1986—），男，黑龙江大庆人，现主要从事核电厂与核设施安全审评工作

*通讯作者：路 雨，E-mail：luyu@ chinansc. cn