核電廠應急指揮中心抗震性能分析

王芳 林海

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

核電廠應急指揮中心是核電廠營運單位應急響應的指揮、管理和協調中樞，是應急期間應急響應指揮部的工作場所。根據《核動力廠設計安全規定》，每個核電廠必須設置一個與核電廠控制室相分離的廠內應急控制中心，作為應急事故發生時，應急指揮人員工作、生活的場所，并且可以長時間保護在場人員，以便防止嚴重事故對他們的危害。

日本福島事故以前，已建或在建(包括現有設計)的應急指揮中心屬于與核安全無關的Ⅲ類物項，即核電廠中與核安全無關的物項。根據GB 50223-2008建筑工程抗震設防分類標準設施屬于標準設防類，即除了特殊設防、重點設防和適度設防外按標準要求進行設防的建筑，為丙類建筑。日本福島事故后，國家對于核電廠的核安全以及核應急提出了更高要求。國家核安全2012年發布了《福島核事故后核電廠改進行動通用技術要求》(以下簡稱《通用技術要求》)，根據此規定，應急控制中心按廠址所在地區地震基本烈度提高1度進行抗震設計，并按照設計基準地震動SL2(相當的地面加速度)進行校核。

1 核電廠與民用建筑抗震設計的區別

核電廠建筑抗震標準與一般民用建筑抗震標準有所不同:

1)建筑物分類不同。核電廠中的建筑根據其對核安全的重要性劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ類物項，民用建筑根據其功能的重要性分為甲、乙、丙、丁四個類別。

2)抗震設計原則不同。民用建筑的抗震設防目標是“三水準，兩階段設計”。核電廠中核安全有關的廠房抗震設計是按照廠址的運行安全地震震動(SL1)和極限安全地震震動的加速度(SL2)進行計算。

3)設計反應譜不同。核電廠抗震設計一般采用美國RG1.60譜或場地地震相關反應譜，民用建筑抗震按地震影響曲線計算。此曲線相當于地面反應譜。

4)地面加速度取值不同。民用建筑抗震設計時根據建筑物所在廠址的抗震設防烈度進行設計的，基本地震加速度是按50年的設計基準期超越概率10%(重現期475年)的地震加速度作為設計取值。SL1的加速度是設計基準期中年超越概率為2‰的地震震動。SL2加速度是按在設計基準期中年超逾概率為0.1‰(重現期為10 000年)的地震加速度作為設計取值。

若用核電廠抗震設計規范規定的反應譜對應急指揮中心進行設計會高于《通用技術要求》的標準，按“三水準、兩階段”的小震作用進行抗震設計則沒有滿足其要求，因此按SL2相當的地面加速度進行彈性設計是合適的。

2 應急指揮中心抗震設計

2.1 工程概況

某核電廠應急指揮中心為現澆鋼筋混凝土抗震墻結構，平面尺寸為56.1 m×17.4 m，地上2 層，底層層高6.55 m，第二層層高4.35 m，墻厚均為300 mm，第一層板厚按跨度和工藝的要求分為150 mm，200 mm，300 mm，頂層板厚300 mm。混凝土采用C35混凝土。基礎采用混凝土墻下條形基礎。

本建筑物按使用年限50年設計，建筑場地類別為Ⅰ1類，設計地震分組為第三組，特征周期為0.35 s，結構安全等級為一級，抗震設防烈度為7度(0.10g)，建筑抗震設防類別為甲類。平面圖見圖1。此類建筑的特點是只有墻、板和梁，沒有柱子。

圖1 平面圖

樓面活荷載2.5 kN/m2，屋面恒荷載按6 kN/m2考慮，活荷載0.5 kN/m2，基本風壓 1.00 kN/m2，地面粗糙度類別 A 類。

設計過程中，我們采用中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部開發的SATWE軟件進行結構中震彈性計算。在中震彈性設計時，結構處于彈性狀態，沒有內力調整系數，但保留了荷載分項系數，材料強度按設計強度取值。PKPM分析方法過程簡單，而且可以直接求得配筋結果。

現用有限元軟件ANSYS做譜分析，進一步對該結構的動力特性和抗震性能進行分析，并將計算結果與PKPM計算的結果進行對比。

2.2 地震反應譜數值取值

根據《通用技術要求》，應急指揮中心在民用規范體系下，結構設計按照建筑結構抗震設計規范的基本烈度增加1度即按照8度進行抗震設計，本場地的極限安全地震動SL2的水平地面加速度峰值0.2g，所以按8度(0.2g)進行結構的中震彈性設計。當利用PKPM進行中震彈性分析時，需要修改水平地震影響系數αmax=0.444。

當 T=0時，α=0.45αmax;

令 0.45αmax=0.2，得 αmax=0.444。

在用ANSYS采用反應譜法進行地震作用的響應分析時，按照GB 50011-2010建筑抗震設計規范定義頻率反應譜曲線，具體數值見表1。計算采用混凝土結構的阻尼比為0.05，ANSYS譜分析輸入的譜值如圖2所示。

表1 頻率反應譜的相關參數

圖2 ANSYS譜分析中輸入的譜值

3 整體模型分析

3.1 結構模型

按實際結構布置建立有限元分析模型，墻、板用Shell63單元模擬，梁用Beam4單元模擬，設備基礎用Mass21單元模擬，將恒載和活載以折合密度的形式彌散到相應的樓板上，屋面活荷載不計入，樓面活荷載組合系數取0.5。

坐標原點設置在①軸線和?軸線的交點，X方向為結構的長邊方向;Y方向為結構的短邊方向;Z方向為結構的高度方向。該模型劃分單元網格0.6 m，共有12 217個節點，13 337個單元。三維有限元模型見圖3。

圖3 三維有限元模型

3.2 模態分析

ANSYS提供的模態提取方法有子空間法、分塊Lanczos法，Power Dynamics法和縮減法，本文采用子空間法提取前20階模態。振型組合采用“平方和的平方根法”(SRSS)法。由于結構X方向尺寸遠大于Y方向，Y方向的地震力起控制作用，為了更清楚地分析地震作用下結構的性能，計算時，輸入Y方向的地震作用分析Y方向的變形和內力。

PKPM和ANSYS軟件的模態分析結果如表2所示，在PKPM計算需要考慮樓梯對剛度的貢獻。從表3可以看出，兩種軟件計算的結構質量相當。但ANSYS計算的頻率稍微比PKPM大一點，說明ANSYS建立的三維模型剛度略大。

表2 結構主頻 Hz

表3 結構質量 t

3.3 層剪力

PKPM和ANSYS軟件的振型分解反應譜方法計算的層剪力結果見表4。ANSYS計算的第二層剪力結果和PKPM的結果很接近，第一層的ANSYS層剪力結果是PKPM結果的85%，主要是因為ANSYS模型中第一層的洞口和樓梯與PKPM有所不同。

表4 Y方向基底剪力 kN

3.4 結構位移

樓層的最大位移和平均位移見表5，可以看出，ANSYS計算的位移結果和PKPM計算的位移結果比較接近。

表5 Y方向地震作用下的樓層最大位移和平均位移 mm

4 結語

通過以上論述，可以得出結論，盡管民用建筑抗震設計和核安全相關物項進行抗震設計的規范要求有所不同，但是做到對規范條文的深刻理解，合理的設置計算參數，對于非框架的墻板結構，用PKPM軟件也是可以代替ANSYS進行中震彈性計算的，二者計算結果相近，可以滿足工程設計的需要。

［1］ANSYS土木工程應用實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［3］GB 50267-97，核電廠抗震設計規范［S］.

［4］周 穎，呂西林.中震彈性設計與中震不屈服設計的理解及實施［J］.結構工程師，2008(6):73.