基于CMS的核電廠安全殼設(shè)計(jì)地震動(dòng)確定方法

胡進(jìn)軍， 李瓊林， 呂景浩， 謝禮立

(1. 中國(guó)地震局 工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080；2.中國(guó)地震局 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

核能作為一種清潔、高效的能源具有較大的發(fā)展 潛能，然而由于核電站是具有高放射性的危險(xiǎn)源，如何保證強(qiáng)震作用下核電站的安全運(yùn)營(yíng)已經(jīng)成為工程技術(shù)與相關(guān)科研人員所面臨的一道難題，特別是日本“3.11” 地震福島核電站泄漏事故發(fā)生后，該問(wèn)題愈加引起人們關(guān)注。核電廠安全殼是核電廠縱深防御的最后一道防線，提升核電廠安全殼的抗震性能十分有必要。對(duì)于核電廠安全殼這類(lèi)重要的工程結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中均提出了進(jìn)行時(shí)程反應(yīng)分析的必要性，然而由于地震動(dòng)記錄本身的復(fù)雜性，如何選取合適的輸入地震動(dòng)進(jìn)行時(shí)程反應(yīng)分析在相應(yīng)的規(guī)范中尚未做出明確說(shuō)明。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的輸入地震動(dòng)記錄問(wèn)題開(kāi)展了廣泛的研究。Stewart 等[1-2]認(rèn)為在選擇輸入地震動(dòng)時(shí)，地震動(dòng)記錄的震級(jí)與設(shè)定地震震級(jí)應(yīng)該相匹配。王亞勇等[3-4]提出用于時(shí)程分析的地震動(dòng)記錄必須具有統(tǒng)計(jì)意義并與抗震設(shè)計(jì)規(guī)范協(xié)調(diào)。Watson等[5]認(rèn)為只依靠震級(jí)、震中距和場(chǎng)地條件選擇輸入地震動(dòng)時(shí)，過(guò)大的調(diào)幅比例會(huì)造成工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的偏差，而利用設(shè)計(jì)譜進(jìn)行挑選輸入地震動(dòng)時(shí)，較大調(diào)幅的輸入地震動(dòng)可得到適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)反應(yīng)。Martinez-Rueda等[6-8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，以結(jié)構(gòu)基本周期處反應(yīng)譜值來(lái)調(diào)整地震動(dòng)記錄可以使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)離散性降低。謝禮立等[9]以地震動(dòng)潛在破壞勢(shì)為研究基礎(chǔ)，提出了最不利設(shè)計(jì)地震動(dòng)的概念。王國(guó)新等[10]通過(guò)地震危險(xiǎn)性分析計(jì)算了工程結(jié)構(gòu)在不同危險(xiǎn)性水平下的地震反應(yīng)，認(rèn)為應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的自身特性以及地震環(huán)境選取合適的輸入地震動(dòng)。曲哲等[11]總結(jié)了目前常用的三種選取輸入地震動(dòng)的方法。分別按照三種方法選取輸入地震動(dòng)，對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析，指出準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)構(gòu)的等效周期能夠更好的把握結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)。

前述研究表明，合理的地震動(dòng)輸入應(yīng)當(dāng)綜合考慮場(chǎng)地的地震危險(xiǎn)性的概率特征和結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)特性，鑒于前述原因，Baker等[12-13]引入了譜形參數(shù)，提出了利用條件均值譜作為目標(biāo)譜進(jìn)行地震動(dòng)記錄選取的方法，文獻(xiàn)[14-16]對(duì)其也進(jìn)行了發(fā)展和應(yīng)用。本文以核電廠安全殼為算例，詳細(xì)描述了基于條件均值譜方法選取地震動(dòng)記錄的步驟，并針對(duì)該算例在國(guó)內(nèi)外18次地震中所得到的地震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中選取了適用于該核電廠安全殼的輸入地震動(dòng)。最后通過(guò)與其他方法進(jìn)行計(jì)算比較，驗(yàn)證了基于條件均值譜選取輸入地震動(dòng)記錄的高效性。

1 核電廠廠址地震概率危險(xiǎn)性分析與抗震設(shè)計(jì)譜生成

1.1 地震概率危險(xiǎn)性分析

地震概率危險(xiǎn)性分析(Probabilistic Seismic Hazard Analysis ,PSHA)是Cornell于1968年首次提出，其目的在于計(jì)算一個(gè)場(chǎng)地上所有可能發(fā)生的地震超過(guò)某一地震動(dòng)參數(shù)的概率，主要包括以下三個(gè)步驟：確定震源模型、確定地震動(dòng)衰減關(guān)系和概率計(jì)算。震源模型主要包括震級(jí)大小、震中距和年發(fā)生概率這三個(gè)參數(shù)。地震動(dòng)衰減關(guān)系可以描述地震動(dòng)參數(shù)隨震級(jí)、距離和場(chǎng)地條件等因素變化的規(guī)律，其表征的地震動(dòng)參數(shù)包括了烈度、峰值速度、峰值加速度、峰值位移、反應(yīng)譜加速度。在確定了震源模型和地震動(dòng)衰減關(guān)系之后，可以進(jìn)行PSHA的概率計(jì)算，考慮多震源影響時(shí)，將場(chǎng)地上所有震源可能發(fā)生的地震事件疊加就得到了一個(gè)場(chǎng)地上地震動(dòng)參數(shù)IM的超越概率，計(jì)算公式為

λ(IM>x)=

(1)

式中:IM為地震動(dòng)參數(shù)；n為場(chǎng)地上地震震源個(gè)數(shù)；λmi為第i個(gè)震源上地震事件的年發(fā)生概率；fMi為第i個(gè)震源上震級(jí)的概率密度函數(shù)；fRi為第i個(gè)震源上震中距的概率密度函數(shù)；m和r分別為某一地震事件的震級(jí)和距離場(chǎng)地的震中距。當(dāng)選取地震動(dòng)參數(shù)為反應(yīng)譜加速度值Sa時(shí)，通過(guò)上面的過(guò)程我們能夠計(jì)算出某一場(chǎng)地在每個(gè)周期T上反應(yīng)譜加速度值Sa>x的超越概率，在每個(gè)周期上取相同超越概率對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜加速度值Sa并將其作為縱坐標(biāo)，周期T作為橫坐標(biāo)，即可得到一致概率譜(Uniform Hazard Spectrum，UHS)。

由前述計(jì)算過(guò)程可知，UHS考慮了一個(gè)場(chǎng)地上未來(lái)所有可能發(fā)生的地震事件，因此UHS在每個(gè)周期上的譜值均偏于保守，同時(shí)對(duì)于工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)都是針對(duì)一次地震作用的，因此選取地震動(dòng)輸入的目標(biāo)譜應(yīng)當(dāng)具備反映一次地震作用的功能。為了克服PSHA難以衡量一次地震事件對(duì)場(chǎng)地所產(chǎn)生影響的缺點(diǎn)， Mcguire[17]提出了地震危險(xiǎn)性分解的概念。地震危險(xiǎn)性分解在每個(gè)周期上對(duì)PSHA的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分解，進(jìn)而得到每個(gè)獨(dú)立地震事件對(duì)場(chǎng)地總危險(xiǎn)性貢獻(xiàn)的大小。通過(guò)對(duì)震級(jí)和震中距的分解結(jié)果可以分別得到一個(gè)對(duì)場(chǎng)地危險(xiǎn)性貢獻(xiàn)最大的震級(jí)和震中距，通過(guò)對(duì)震級(jí)和震中距的聯(lián)合分解得到了一個(gè)場(chǎng)地在某一周期上的主導(dǎo)地震。本文建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算模型，假設(shè)核電廠廠址在該斷層附近的場(chǎng)地上，如圖1所示。其中虛線部分是一個(gè)走滑斷層，斷層長(zhǎng)度為200 km，粗實(shí)線是斷層上的破裂長(zhǎng)度，用L表示，破裂端部到斷層端部的距離為P。震源(epicenter)發(fā)生在破裂上，震源到斷層端部的距離為E。三角形的Site A指的是核電廠廠址，廠址A到斷層的水平距離為5 km，到斷層端部的垂直距離為50 km，距震源的距離為Rt。

圖1 核電廠廠址地震危險(xiǎn)性分析計(jì)算模型Fig.1 PSHA model for NPP

在本文的PSHA的計(jì)算過(guò)程中，作者對(duì)震級(jí)M和震中距R進(jìn)行了離散化計(jì)算。震級(jí)的計(jì)算范圍取值為5～8級(jí)，計(jì)算間隔為0.1級(jí)，震中距的計(jì)算間隔為5 km。最后在核電廠安全殼自振周期(由下文的模態(tài)分析計(jì)算得到其為0.35 s)處進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分解，得到對(duì)場(chǎng)地危險(xiǎn)性貢獻(xiàn)最大的地震震級(jí)是6.3級(jí)，且場(chǎng)地的危險(xiǎn)性幾乎都是由震中距小于10 km的地震事件控制。前述結(jié)論為基于條件均值譜挑選輸入地震動(dòng)記錄奠定了基礎(chǔ)。

1.2 核電廠抗震設(shè)計(jì)譜生成

核電廠安全殼的抗震設(shè)計(jì)以及抗震性能評(píng)估所要求的地震動(dòng)參數(shù)需要根據(jù)核電廠的抗震設(shè)計(jì)譜得到，因此還需要生成合理的抗震設(shè)計(jì)譜。為了使不同廠址的核電廠能夠達(dá)到相同的性態(tài)指標(biāo)，2001年美國(guó)核管會(huì)基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)方法提出了抗震設(shè)計(jì)譜的概念，并提出其計(jì)算公式為

DRS=DF×UHS

(2)

式中:DRS即為抗震設(shè)計(jì)譜;DF為設(shè)計(jì)參數(shù)，核電廠極限安全地震的超越概率為0.01%時(shí)，DF的計(jì)算公式如式(3)所示[18]

(3)

式中:AR為超越概率為10-5時(shí)一致概率譜的反應(yīng)譜譜值與超越概率為10-4時(shí)一致概率譜譜值的比值。分別計(jì)算出超越概率為10-4和10-5的一致概率譜，簡(jiǎn)單計(jì)算就可以得到每個(gè)周期上的AR值，由此得到設(shè)計(jì)參數(shù)DF。當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)選取為反應(yīng)譜加速度值Sa時(shí)，通過(guò)上面的過(guò)程我們能夠計(jì)算出某一場(chǎng)地在每個(gè)周期T上抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值。

由抗震設(shè)計(jì)譜生成過(guò)程可知，一致性危險(xiǎn)譜與抗震設(shè)計(jì)譜所包含的地震事件相同。然而在實(shí)際工況中幾乎不可能出現(xiàn)一致性危險(xiǎn)譜所能代表的如此劇烈的一次地震事件，因此如果選取多次地震影響下的一致性危險(xiǎn)譜計(jì)算抗震設(shè)計(jì)譜會(huì)放大地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)一般都是針對(duì)一次地震作用。鑒于前述原因，抗震設(shè)計(jì)譜需要由對(duì)該工程廠址地震危險(xiǎn)性較大的單次地震事件所得到的一致性危險(xiǎn)譜生成。參考前文地震危險(xiǎn)性分解的結(jié)果，本文設(shè)定震源的震級(jí)為6.5級(jí)，考慮到核電廠選址的嚴(yán)謹(jǐn)性，取震源距場(chǎng)地的震中距為20 km，地震的重現(xiàn)期為770年，據(jù)此可以計(jì)算得到地震事件的年發(fā)生概率λm=1/770。地震動(dòng)衰減關(guān)系服從Boore等[19]建立的衰減關(guān)系(稱(chēng)為BSSA13)。考慮到核電廠廠址一般選在基巖場(chǎng)地，本文設(shè)定該場(chǎng)地等效剪切波速Vs30=800。通過(guò)PSHA的計(jì)算步驟和DRS的計(jì)算步驟分別得到在前述單次地震作用下核電廠址超越概率分別為10-4和10-5時(shí)的一致性危險(xiǎn)譜和抗震設(shè)計(jì)譜如圖2所示。

從圖2中可以看出，得到的抗震設(shè)計(jì)譜不僅在概率水平上不低于極限安全地震對(duì)應(yīng)的超越概率，同時(shí)又滿足了基于性態(tài)的抗震概率設(shè)計(jì)方法，因此在后繼研究中將以抗震設(shè)計(jì)譜為基礎(chǔ)生成核電廠安全殼的條件均值譜。

圖2 核電廠一致性概率譜與抗震設(shè)計(jì)譜Fig.2 Uniform hazard spectrum and design spectrum for NPP

2 核電廠安全殼的條件均值譜生成

2.1 核電廠安全殼的模態(tài)分析

條件均值譜的生成需要確定條件周期，一般而言選取結(jié)構(gòu)的第一振型所對(duì)應(yīng)的自振周期作為條件周期，因此生成核電廠安全殼的條件均值譜要對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析以獲取其自振周期。

2.1.1 核電廠安全殼有限元計(jì)算模型

本文選用第三代壓水堆核電廠AP1000的安全殼建立有限元模型，該安全殼由內(nèi)部的鋼安全殼和外部的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成，建立的有限元模型只考慮了外部鋼筋混凝土材料的安全殼，包括了上部的重力水箱和下部的屏蔽廠房。建模時(shí)不考慮土-結(jié)相互作用，同時(shí)忽略安全殼的內(nèi)部設(shè)備，僅建立重力水箱和屏蔽廠房的計(jì)算模型。模型中屏蔽廠房的半徑為22.1 m，高度為65.6 m，厚度為0.9 m；上部重力水箱的內(nèi)徑為4.4 m，外徑是13.5 m，內(nèi)部高11.7 m，厚度是0.6 m，建筑總高度為85.2 m。

基于前述描述，利用Abaqus軟件建立了安全殼的有限元模型如圖3所示。由于安全殼的厚度方向的尺寸要遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸，采用殼單元進(jìn)行模擬。計(jì)算過(guò)程中不考慮水箱內(nèi)水與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用，將靜水壓力作為節(jié)點(diǎn)力施加于水箱內(nèi)壁上。屏蔽廠房和上部重力水箱都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土和鋼筋材料本構(gòu)模型參數(shù)如表1和表2所示[20]。

圖3 AP1000核電廠安全殼的示意圖與有限元模型Fig.3 Sketch map and finite element modelof safety shell for AP1000 of NPP

表1 混凝土材料參數(shù)Tab.1 Material parameter of concrete material

表2 鋼筋材料參數(shù)Tab.2 Material parameter of steel bar

2.1.2 核電廠安全殼模態(tài)特征分析

核電廠安全殼模型是軸對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，模態(tài)分析中顯示了模型存在X，Y方向?qū)ΨQ(chēng)的振型，其中第一、二階振型分別是X，Y方向上的第一平動(dòng)振型，周期均為0.35 s。計(jì)算條件均值譜時(shí)，我們要根據(jù)核電廠安全殼的振型周期確定條件周期T*，安全殼的振型周期分布十分緊密，振型越大，周期分布越密集。因此確定條件周期時(shí)不考慮發(fā)生局部變形的振型，取整體變形較大的振型周期作為條件周期T*，并且本文挑選的輸入地震動(dòng)為水平方向，不考慮豎向地震作用，因此也不考慮豎向整體變形較大的振型。在上述安全殼模型的模態(tài)分析中，選取了第一平動(dòng)振型周期作為條件均值譜的條件周期T*，即為0.35 s。

2.2核電廠安全殼條件均值譜生成

條件均值譜(Conditional Mean Spectrum,CMS)可以定義為一次地震作用下在已知特定周期的反應(yīng)譜加速度值條件下得到的均值反應(yīng)譜。計(jì)算條件均值譜時(shí)需要考慮三個(gè)參數(shù)：設(shè)計(jì)地震震級(jí)M、震中距R和epsilon參數(shù)ε。epsilon參數(shù)ε由式(4)計(jì)算

(4)

式中:Sa為反應(yīng)譜加速度值，其服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布;μln Sa(M,R,T)和σln Sa(T)分別是指場(chǎng)地發(fā)生震級(jí)為M、震中距為R的地震時(shí)周期T上lnSa的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，可由BSSA13地震動(dòng)衰減關(guān)系得到。由上式即可得到條件周期T*下的epsilon參數(shù)。此后可以按照以下步驟進(jìn)行CMS的計(jì)算：

①根據(jù)本文選取的BSSA13衰減關(guān)系計(jì)算周期Ti下lnSa的均值μln Sa(M,R,Ti)和標(biāo)準(zhǔn)σln Sa(Ti);

②根據(jù)已有的條件周期T*下的epsilon參數(shù)ε(T*)來(lái)計(jì)算每個(gè)周期下的epsilon參數(shù)ε(Ti)，計(jì)算公式為

ε(Ti)|ε(T*)=ρ(Ti,T*)ε(T*)

(5)

式中：ρ(Ti,T*)為周期Ti和T*上epsilon參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，由文獻(xiàn)[21]推薦公式計(jì)算；

③利用第一步計(jì)算的均值μln Sa(M,R,Ti)、標(biāo)準(zhǔn)差σln Sa(Ti)和第二步計(jì)算的epsilon參數(shù)ε(Ti)，可以計(jì)算出在條件周期T*下每個(gè)周期lnSa的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如下

μln Sa(Ti)|ln Sa(T*)=
μln Sa(M, R, Ti)+ρ(Ti,T*)ε(T*)σln Sa(Ti)

(6)

(7)

式(6)和(7)得到的是lnSa的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，CMS的縱坐標(biāo)為Sa值，可以對(duì)結(jié)果求冪即可得到相應(yīng)Sa的均值和Sa±標(biāo)準(zhǔn)差σ

μSa(Ti)=exp(μln Sa(Ti)|ln Sa(T*))

(8)

μSa(Ti)±σ=exp(μln Sa(Ti)|ln Sa(T*)±σln Sa(Ti)|ln Sa(T*))

(9)

通過(guò)上面的步驟可以得到CMS和CMS±σ。據(jù)此可以得到本文算例條件周期下的譜值。

基于前述，本文選取條件均值譜條件周期T*處的Sa值與抗震設(shè)計(jì)譜相應(yīng)周期處的譜值相等。在周期T*上取DRS的譜值Sa(T*)，令CMS相同周期T*上的譜值為Sa(T*)，并計(jì)算epsilon參數(shù)ε(T*)，由此得到了條件周期為T(mén)*的條件均值譜，如圖4所示。

圖4 核電廠安全殼的條件均值譜與抗震設(shè)計(jì)譜Fig.4 Conditional mean spectrum anddesign spectrum for containment vessel of NPP

圖4中實(shí)線部分是抗震設(shè)計(jì)譜，虛線部分分別代表?xiàng)l件周期T*=0.35 s時(shí)的條件均值譜。在條件周期T*處，抗震設(shè)計(jì)譜和條件均值譜相交于一點(diǎn)，在其他周期處，條件均值譜的譜值均小于抗震設(shè)計(jì)譜的譜值，Sa值由地震動(dòng)衰減關(guān)系推測(cè)得到。條件均值譜滿足了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震要求的抗震性能指標(biāo)，在其他周期上明顯減小了抗震設(shè)計(jì)譜的保守性，因此更適合作為挑選地震動(dòng)的目標(biāo)譜。

3 基于條件均值譜的輸入地震動(dòng)記錄挑選

3.1 匹配原則

選擇條件周期為T(mén)*的條件均值譜作為挑選地震動(dòng)記錄的目標(biāo)譜后，首先要確定地震動(dòng)記錄匹配條件均值譜的目標(biāo)周期，一般選擇0.2T*～2T*的周期作為匹配周期。匹配條件均值譜時(shí)要對(duì)地震動(dòng)反應(yīng)譜進(jìn)行調(diào)幅，放大系數(shù)SF的計(jì)算公式為[22]

(10)

式中：SaCMS(T*)為條件均值譜在周期T*上的譜值；Sa(T*)為周期T*處的地震動(dòng)記錄的反應(yīng)譜值。地震動(dòng)記錄調(diào)幅后，在每個(gè)周期上對(duì)地震動(dòng)反應(yīng)譜值和條件均值譜的譜值進(jìn)行比較，驗(yàn)證該地震動(dòng)記錄是能夠匹配目標(biāo)譜。驗(yàn)證地震動(dòng)記錄匹配性的公式如式(11)所示

(11)

式中:SSE指在匹配周期上目標(biāo)譜和地震動(dòng)記錄反應(yīng)譜的對(duì)數(shù)譜值的之差的平方和，匹配周期上共選取了n個(gè)周期值。我們用SSE值來(lái)判斷地震動(dòng)記錄是否能夠匹配計(jì)算得到的條件均值譜。在挑選用于結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析的地震動(dòng)記錄時(shí)，我們需要對(duì)一個(gè)地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的每條地震動(dòng)進(jìn)行式(11)的驗(yàn)算過(guò)程，得到每條地震動(dòng)記錄的SSE值，并選擇SSE值最小的N條地震動(dòng)記錄，即為與目標(biāo)譜最匹配的地震動(dòng)記錄。

3.2 地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)

本文中挑選地震動(dòng)記錄的數(shù)據(jù)庫(kù)包括了國(guó)外13次淺地殼地震的地震動(dòng)記錄、國(guó)內(nèi)臺(tái)灣集集地震以及大陸的蘆山、魯?shù)椤氪ā⒕肮鹊卣穑偣策x取了2 480條水平向地震動(dòng)記錄，其中每個(gè)站臺(tái)處兩個(gè)水平向地震動(dòng)記錄都考慮在內(nèi)。國(guó)外13次地震的名稱(chēng)、震級(jí)大小如表3所示。

考慮到本文的場(chǎng)地適用于核電廠廠址，計(jì)算時(shí)要求場(chǎng)地Vs30值不能過(guò)小，根據(jù)我國(guó)場(chǎng)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)將地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)成兩組。取國(guó)內(nèi)外1 098條Vs30>550 m/s即Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地的地震動(dòng)記錄作為基巖場(chǎng)地地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

表3 地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中13次國(guó)外地震Tab.3 13 foreign earthquakes in a ground motion database

3.3 核電廠地震動(dòng)記錄挑選

按照前述挑選地震動(dòng)記錄的匹配原則，在前述地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中挑選出了條件周期T*=0.35 s時(shí)最匹配條件均值譜的20條地震動(dòng)記錄(表4中編號(hào)為1～20的地震動(dòng)記錄)反應(yīng)譜如圖5所示，需要說(shuō)明的是圖中地震動(dòng)記錄已按照式(10)進(jìn)行了調(diào)幅處理。

圖5 匹配條件均值譜的地震動(dòng)記錄反應(yīng)譜Fig.5 Response spectrum of ground motion recordwith matched conditional mean spectrum

從圖中可以看到匹配目標(biāo)譜的地震動(dòng)反應(yīng)譜在周期T*處重合，并且在匹配周期范圍內(nèi)幾乎都在CMS±σ兩條曲線的范圍內(nèi)，說(shuō)明前述挑選地震動(dòng)記錄的匹配原則效果優(yōu)良。

4 基于CMS挑選地震動(dòng)記錄合理性驗(yàn)證

本文為驗(yàn)證基于CMS方法挑選輸入地震動(dòng)更具合理性，分別按照如下兩種方法在相同的地震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中挑選了40條輸入地震動(dòng)記錄。

方法1：本文所研究的基于條件均值譜的輸入地震動(dòng)記錄挑選方法，以如圖6所示的條件均值譜為目標(biāo)譜在基巖地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中挑選出40條地震動(dòng)記錄如表4所示，簡(jiǎn)稱(chēng)CMS方法。

方法2：計(jì)算基巖地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有地震動(dòng)記錄在T*=0.35 s處的epsilon參數(shù)值，挑選和條件均值譜中epsilon(T*=0.35 s)參數(shù)最接近的40條地震動(dòng)記錄如表5所示，本文稱(chēng)為epsilon方法。

圖6 不同挑選方法的輸入地震動(dòng)下安全殼最大頂點(diǎn)位移Fig.6 The maximum top displacement of the shellunder the input ground motion with different selection methods

表4 CMS方法挑選得到的輸入地震動(dòng)Tab.4 Selected input ground motions from CMS method

表5 epsilon方法挑選得到的輸入地震動(dòng)Tab.5 Selected input ground motions from epsilon method

本文選取安全殼的最大頂點(diǎn)位移作為核電廠安全殼的抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。將兩組中的每一條地震動(dòng)記錄分別輸入2.1節(jié)所建立的安全殼有限元計(jì)算模型中進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，即可計(jì)算得到每次地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的最大頂點(diǎn)位移，如圖6所示。兩組輸入地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如表6所示。

表6 不同挑選輸入地震動(dòng)方法對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響Tab.6 Effects of different input ground motion methods on structural responses

由表6可以看出，方法2選取epsilon相似的方法的結(jié)構(gòu)反應(yīng)平均值與CMS方法接近，標(biāo)準(zhǔn)差稍大，圖5中位移點(diǎn)的趨勢(shì)線斜率大于CMS方法中位移點(diǎn)的趨勢(shì)線。因此CMS 方法對(duì)地震動(dòng)記錄在條件周期T*處進(jìn)行Sa值調(diào)幅的方法能夠保證結(jié)構(gòu)反應(yīng)的無(wú)偏性良好，適合作為挑選輸入地震動(dòng)的方法。

5 結(jié) 論

本文以核電安全殼為研究對(duì)象，從概率地震危險(xiǎn)性分析出發(fā)，提出了以條件均值譜作為目標(biāo)譜進(jìn)行輸入地震動(dòng)記錄挑選的技術(shù)流程。通過(guò)建立核電安全殼有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析得到了安全殼的各振型周期。以安全殼的第一平動(dòng)自振周期為條件周期，計(jì)算得到了核電安全殼的條件均值譜。以其作為目標(biāo)譜在國(guó)內(nèi)外18次地震中得到的地震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中挑選了40條地震動(dòng)。最后提出了另外一種挑選地震動(dòng)的方法，與本文的CMS方法進(jìn)行對(duì)比。將由前述兩種方法挑選的地震動(dòng)記錄輸入核電安全殼有限元模型進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，進(jìn)而對(duì)比兩類(lèi)方法的動(dòng)力反應(yīng)，證明了條件均值譜作為輸入地震動(dòng)目標(biāo)譜的合理性，可以作為核電工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)挑選輸入地震動(dòng)的推薦方法。

致謝

感謝國(guó)家強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)中心提供了國(guó)內(nèi)地震的地震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，感謝PEER提供了國(guó)外強(qiáng)震數(shù)據(jù)的資料。