核电厂安全壳结构抗震分析与鉴定

核电厂安全壳结构抗震分析与鉴定

张会东，林松涛，赵文博，王永焕，徐海翔，张际斌
（中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

摘要：安全壳必须具有足够的抗震能力承受安全运营地震、安全停堆地震（极限地震）两个级别的地震力作用。极限地震时，安全壳结构不得产生重大损坏造成的核辐射泄露事故。通过对实际尺寸安全壳结构进行谱分析，总结安全壳结构抗震要点，对安全壳结构抗震设计及鉴定提出建议。
关键词：安全壳；抗震分析；谱分析；有限元；抗震鉴定

对核电厂安全壳等高等级重要的特殊结构而言，其抗震性能尤为重要，只有安全壳具有足够的抗震能力，才能将发生地震时的意外放射性物质控制在允许范围之内。根据各国的设计规定，安全壳必须具有足够的抗震能力，承受安全运营地震、安全停堆地震（极限地震）两个级别的地震力作用。2007年7月日本柏崎刈羽核电厂遭受地震袭击，实际地震加速度值超过设计值并且产生破坏，核电厂安全壳结构的抗震分析及鉴定成为热点。
1 各国安全壳结构抗震设计概况
核电厂设计基准地震动的确定与一般工程存在显著不同，除了要考虑在低概率条件下可能最大地震动强度之外，设计中还要求采用地震动力分析方法，考虑地震反应谱和地震动时程。我国设计基准地震动分为两个级别：SL-1和SL-2，对于核电厂设计基准地震动SL-2，我国的概率风险水平取值10-4。美国的抗震设计认为，核电厂在一般情况下不停止生产，在极特殊的情况下也不产生核扩散事故，分别称为安全运行或运行依据地震OBE（Operating Basis Earthquake）、安全停堆地震SSE（Safe-Shutdown Earthquake）。美国等国家在核电厂抗震设计采用固定形状的反应谱，反应谱的绝对数值与设计地震动加速度[作者简介：*张会东(1978－)，男，山东人，工程师，硕士，从事结构试验与研究(E-mail:zhdbj@163.com)；
         林松涛(1962－)，男，辽宁人，教授级高级工程师，硕士，从事结构试验与研究；
赵文博(1985－)，男，山东人，工程师，硕士，从事结构试验与研究；
王永焕(1969－)，男，湖南人，教授级高级工程师，硕士，从事结构试验与研究；
徐海翔(1975－)，男，山东人，高级工程师，学士，从事结构试验与研究；
张际斌(1977－)，男，湖南人，高级工程师，硕士，从事结构试验与研究。]成比例。日本核电厂抗震设计规定按照设计对象的重要程度采取不同的地震动要求，抗震规范有单独根据场地具体情况确定基岩上的S1和S2地震动趋势，其中S1是场地预期的适当地震动，S2则为可能的上限地震动[1]。
对于安全壳等特殊结构，应当利用最新的理论和经验进行抗震分析，包含试验和原型观测，甚至可以开展加固方面的研究工作。
2 反应谱理论
结构地震的反应分析，经历静力、反应谱、动力三个阶段，当前各国对安全壳结构抗震分析方法广泛采用反应谱法及动力时程法。
地震动不是简单的简谐振动，而是振幅和频率都变化着的振动，可称为随机或无规则振动。对于给定的地震动，可以把它看成由许多不同频率的简谐波组合而成，表示一次地震动中振幅与频率关系的曲线，称为频谱，相应地可分别称为位移、速度或加速度反应谱。
    地震作用的特点是地震动过程非常复杂，随时间不规则、快速变化。假定地震动加速度时程为，地震作用下结构运动方程为：
                                  (1)
式中，为相对位移；为地震加速度时程；为阻尼系数；为为结构刚度；代表结构质量。
对线弹性结构的地震反应，可采用积分给出的积分形式的解析表达式，地震等效荷载为，则结构地震反应的位移为：
                 (2)
式中，为有阻尼体系自振率；为结构自振圆频率；为阻尼比；为脉冲反映函数。

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