核電站抗震分析

1、 核電站抗震分析摘要 核電站抗震性一直是核電站設(shè)計的主要問題之一 隨著此間題各方面研究的深人和研究手段的進(jìn)步,核電站的抗展計算理論也在不斷發(fā)展 本文試圖根據(jù) 已有的資料,在核電站抗展 問題的一些主要方面 地展輸人參數(shù)的確定,抗展計su算理論,結(jié)構(gòu)與地基的相互作用 ,逐層加速度譜及反應(yīng)譜的確定,建筑物及設(shè)備的抗展計算 ,地基、基礎(chǔ)及地下建筑的抗震計算等 研究狀況作一些綜述,并在此基礎(chǔ)上展望一下需要解決的問題關(guān)鍵詞： 核電站 抗震分析 結(jié)構(gòu)及設(shè)備抗震性 抗震安全社會背景：2011年03月14日，日核電站面臨再爆炸風(fēng)險 抗震能力設(shè)計不足惹禍；2010年的伊朗6.5級地震；2008年的四川地震等，這些

2、地震擺在我們?nèi)祟惖拿媲安坏貌徽f，我們研究核電站的防震能力不僅與核電站的結(jié)構(gòu)和地基等宏觀因素有關(guān)，而且也和微觀設(shè)計因素有關(guān)，例如窗戶玻璃的防護(hù)、書架和安全柜的擺設(shè)以及吊燈的設(shè)計等等，必須綜合考慮各種因素才能把地震災(zāi)害減少到最低限度目錄：一 抗震分析的目的;二，抗震計算理論三 結(jié)構(gòu)與地基的相互作用四 結(jié)語一 抗震分析的目的;l 抗震分析的三個任務(wù)：1 確定地震任務(wù)2 計算核電站的抗震反應(yīng)3 最基本的要求是保證設(shè)備在正常環(huán)境下和地震載荷下能夠正常運行，并執(zhí)行其原有的功能 抗震分析思路：設(shè)計地震和抗震設(shè)計 (1)外部荷載、地震作用結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。 (2)輸入結(jié)構(gòu)響應(yīng)、其它輸入條件設(shè)備設(shè)備響應(yīng)設(shè)備

3、設(shè)計、實驗鑒定。核電廠抗震分析的特點：1、對于抗震分析和地震安全評估，具有嚴(yán)格的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和安全導(dǎo)則體系。 選址：HAD101/01、RG1.165、NS-G- - 分析/設(shè)計：HAD102/02、GB50267、 RCC-G、 ASCE 4-86（89）、SRP 、NS-G-1.6 、JEAG 4601-87 - 其它：RG1.60、RG1.29、RG1.1222.針對不同的物質(zhì)（結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)和部件-SSCs）的安全重要性，進(jìn)行抗震分類。-RG1.29定義三類： -抗震I類（C-I）: 安全相關(guān)，保持功能保證完整性 -抗震II類（C-II）:間接安全相關(guān)，無需執(zhí)行功能保證完整性 -非抗震類（N

4、C）：不屬于上述兩類-RCC-P定義2類：抗震I類和非抗震類l 核電站抗震分析的邏輯核電廠結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型化 結(jié)構(gòu)模型和設(shè)備模型 集中質(zhì)量法 - 集中質(zhì)量模型(單質(zhì)點模型) - 1D有限元模型(梁單元模型) 有限元法 - 3D有限元模型 - 2D有限元模型(對稱性)3、3.針對不同的抗震分類采用不同的設(shè)防水準(zhǔn) - 美國RG1.165、法國RCC-G - 安全停堆地震（SSE）：超越概率10-4 - 運行基準(zhǔn)地震（OBE）：超越概率10-2 - HAD102/02、GB50267 - 極限安全地震（SL-2）：超越概率10-4 - 運行安全地震（SL-1）：超越概率10-24、設(shè)備的抗震分析與設(shè)計

5、問題比土建結(jié)構(gòu)的抗震問題更為突出 - 地震作用對結(jié)構(gòu)設(shè)計不構(gòu)成主導(dǎo)因素 - 設(shè)備直接同安全直接相關(guān)，而且范圍極廣，抗震設(shè)計的廠址適應(yīng)性分析的核心對象。 5. 設(shè)計地震反應(yīng)譜 - 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)譜：RG1.60、HAD101/01（GB50267） - 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計譜：AP1000、EPR（EUR）、CPR1000 - 廠址相關(guān)譜（Site-specific spectra） 設(shè)計地震反應(yīng)譜的確定 設(shè)計地震反應(yīng)譜選擇的實踐和討論 - 主要對安全進(jìn)行規(guī)定 - 對裕量未作任何限制 反應(yīng)譜- 譜范圍- 場地上的物項最大反應(yīng)值的范圍- 反應(yīng)譜是通過場地上物項的反應(yīng)來間接表達(dá)場地地震動特征- 反映了場地對地震的放大

6、（或消減）效應(yīng) 反應(yīng)譜與時程的對應(yīng)關(guān)系反應(yīng)譜（頻域f-a） 時程（時域t-a）其中，數(shù)學(xué)變換為Nigam-Jennings積分廠址的土壤狀況對地震動的影響要進(jìn)行分析。當(dāng)?shù)卣饎佣x在巖石假象露頭或在基巖上時,這種分析的 目的是確定與之相應(yīng)的土壤層 自由表面 的運動或在其它標(biāo)高處的運動或土壤 內(nèi)其它 點 與之相應(yīng)的運動或應(yīng)力 若地震動是定義在土層表面 ,在用有限元離散法研究 土 一 結(jié)構(gòu)相互作用 時 ,這種分析要給出研究范圍邊界底部的相應(yīng)運動。這種分析方法通常在頻域內(nèi)進(jìn)行,并利用線彈性 。非線性分析通常用迭代線性化法進(jìn)行 ,并利用不依賴于頻率的線性滯回阻尼 。這種方法的精度還存在許多問題,尤其在軟

7、深土層條件下 。二，抗震計算理論抗震計算中一個突出的問題是場地地震信息不足 ,而且在不遠(yuǎn)的未來也不 會快速增加 因此可以利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)及地質(zhì)等類似地區(qū)的地震信息來建立地震模型 地震是典型的振幅及頻率非平穩(wěn)隨機(jī)過程。最早的非平穩(wěn)模型為振幅非平穩(wěn) 隨機(jī)過程 ,稍后振幅及頻率非平穩(wěn)過程模型也發(fā)展了起來。數(shù)值模擬方法也迅速發(fā)展了起來線彈性系統(tǒng)在平穩(wěn)及非平穩(wěn)地震作用下的統(tǒng)計動力學(xué)已發(fā)展得比較成熟。非線性系統(tǒng)的統(tǒng)計動力學(xué)要復(fù)雜得多,目前對單自由度系統(tǒng)在平穩(wěn)隨機(jī)輸人情況下已發(fā)展了許多方法,如擾動法、等效線性化法、相關(guān)函數(shù)法、譜法、方程法等。其中方程法是一種精確方法 ,但它只能對一些簡單情況有精確解 ,在其它情

8、況下只能用一些近似法 ,如矩法、利用最大嫡變分原則求近似概率法、方程數(shù)值與近似解法等。對非平穩(wěn)隨機(jī)擾動,單自由度及多自由度系統(tǒng)用的方法為一法,此外還有隨機(jī)平均法、等效線性化法等在結(jié)構(gòu)受隨機(jī)擾動作用時的可靠性分析中,常用的方法是初次超限法。這種方法最早在文獻(xiàn)中得到應(yīng)用其它近似方法有泊松模型法,用離散極值點代替原隨機(jī)過程法等。多維失效空間及分布系統(tǒng)的可靠性評價方法也得到了發(fā)展。馬爾可夫過程法也得到應(yīng)用。由于馬爾可夫過程法只對一些簡單清況有精確解,因此采用許多近似方法,如伽遼金法,概率擴(kuò)散法,一方程數(shù)值解法等一法是系統(tǒng)求解的有力方法,為了提高這種方法的效率,混合方法得到發(fā)展,如與響應(yīng)表面法等相結(jié)合的

9、方法在考慮到系統(tǒng)參數(shù)的不確定性時,通常采用一次二階矩法及其推廣、數(shù)值積分法、數(shù)字模擬法等。統(tǒng)計動力學(xué)方法的基本困難是 沒有足夠的信息來描述地震作用。但是這種方法是未來發(fā)展 的方向。顯然還需完善地震模型及發(fā)展各種更有效的方法 。現(xiàn)代抗震理論的突出問題是 ,由各種方法確定的荷載相互間不一致 ,因而結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 的可信性不明確 。這種不符合的原因在于外部作用的給定方法 ,計算模型、抗震準(zhǔn)則等的不適合性及結(jié)果解釋的不一致 ,即地震作用及結(jié)構(gòu)行為信息不足 。在現(xiàn)行規(guī)范中有許多因素未考慮 ,如作用 的波動性、結(jié)構(gòu)與地基的相互作用、結(jié)構(gòu)非線性 變形、連續(xù)性破壞導(dǎo)致的應(yīng)力重分布等?？紤]這些因素能使計算模型更與

10、現(xiàn)實相符 計算結(jié)果更可信 能更好地評價結(jié)構(gòu)承載能力的儲備三 結(jié)構(gòu)與地基的相互作用在一般結(jié)構(gòu)的抗震計算中,通常假設(shè)建筑物地基的運動特征不取決于建筑物形狀尺寸及力學(xué)性質(zhì),即不考慮建筑物的反影響。但是建筑物的動力特征很大程度上取決于地基特征。因此要求考察結(jié)構(gòu)物與地基的相互作用.目前,建筑物與地基的動力相互作用是現(xiàn)代抗震理論中的中心問題之在目前的線性譜方法中,在確定地震慣性荷載中,以及在后續(xù)的靜力計算階段,必須考慮地基影響。在確定結(jié)構(gòu)固有頻率及振型中,只考慮地基彈性柔度,而地基的慣性及阻尼影響不考慮而在對給定的加速度記錄進(jìn)行計算時,必須考慮建筑物一地基的受迫振動。在一般形式下考慮結(jié)構(gòu)物與地基的相互作用

11、,通常會遇到一的計算困難。因此經(jīng)常采用不同的簡化地基一結(jié)構(gòu)物相互作用模型,以便能定性地評價相互作用效應(yīng),在很多情況下 ,為工程實踐提供定量評價。在實踐中,經(jīng)常采用剛性塊體及彈性溫克爾地基模型。地基的剛性系數(shù)及考慮到能量外流的衰減系數(shù),是通過解塊體在彈性慣性空間上受迫振動來得到的。在柔性地基情況下,經(jīng)常利用實驗來確定剛性系數(shù)。也可利用混合模式,地基的柔度通過系數(shù)來考慮,而其阻尼性質(zhì)由慣性的相互作用，在很多情況下為工程實踐提供定量評價。在實踐中,經(jīng)常采用剛性塊體及彈性溫克爾地基模型。地基的剛性系數(shù)及考慮到能量外流的衰減系數(shù),是通過解塊體在彈性慣性空間上受迫振動來得到的 。在柔性地基情況下 ,經(jīng)常利

12、用實驗來確定剛性系數(shù)。也可利用混合模式 ,地基的柔度通過系數(shù)來考慮 ,而其阻尼性質(zhì)由慣性半空間解來確定 ?？紤]到結(jié)構(gòu)物的彈性時,簡化計算模型有振子或振子系統(tǒng)及單維均勻或成層的地基或半平面或半空間模型 桿或桿系及半平面等模型 結(jié)構(gòu)物與地基的相互作用模型,不僅用來給出地震作用的模擬加速度記錄,也可用于制定修正的線性譜理論 通常的加速度譜或動力系數(shù)是通過整理作用于線性振子的地震記錄來制定的,這時不考慮輻射到地基中的能量。在考慮地基時,加速度譜應(yīng)考慮到能量損失進(jìn)行換算,這樣對象核電站這樣的大塊剛性結(jié)構(gòu)來講,動力系數(shù)會降低很多 這樣可 以有 區(qū)別地確定建筑物的地震荷載,因為這種荷載不僅取決于結(jié)構(gòu)物的參數(shù)

13、,而且取決于地基與結(jié)構(gòu)物的相互作用,因而取決于地基的特性剛度,不均勻性等需要指出的是,雖然考慮到地基阻尼的影響,結(jié)構(gòu)物的衰減增加了,但在實踐中通常采用 比較保守的值 ,使強度留有余地。四 結(jié)語由于近年來的研究工作,現(xiàn)在可以用一個期望的風(fēng)險水平或發(fā)生概率來定義地震 ,不僅更加真實地考慮了震級、震源機(jī)制、震中距、土壤條件等對單一參數(shù),如地震加速度峰值的影響,而且還考慮了上述因素對持續(xù)時間及頻率成分的影響由于地震風(fēng)險分析中不定因素太多信息不足因而全概率分析還未作到,這也是今后研究的方向。結(jié)構(gòu)抗震計算中除了線性譜理論的發(fā)展外,概率法得到了很大發(fā)展對地震時程的模擬不僅考慮了振幅的非平穩(wěn)性,而且考慮了頻率

14、的非平穩(wěn)性 非線性統(tǒng)計動力學(xué)及可靠性理論 ,尤其是對多自由度系統(tǒng),取得了很大進(jìn)展,發(fā)展了各種近似方法及數(shù)值模擬方法?，F(xiàn)在還需精確地震統(tǒng)計模型 ,發(fā)展各種有效的計算方法 。結(jié)構(gòu)根據(jù)研究目的的不同,采用簡化或復(fù)雜的模型。需要發(fā)展和完善各種計算方法在可靠性分析中,不僅要進(jìn)行強度分析。而且要進(jìn)行防泄漏等分析,即進(jìn)行多準(zhǔn)則分析。同時也應(yīng)在不同的設(shè)計階段 ,考慮到各種不定因素,運用概率法分析,并保守地考慮結(jié)構(gòu)延性 在動力分析中,要考慮高頻的影響并確定 自由度足夠性準(zhǔn)則。逐層反應(yīng)譜的計算 ,根據(jù)精度的要求,選用不同的模型。精度要求高時,要采用更復(fù)雜的模型 ,并考慮各種不定因素。阻尼系數(shù)還需精確確定。除了確定性法外,統(tǒng)計動力學(xué)法也得到了很大發(fā)展。還需確定各種因素對反應(yīng)譜的影響及參數(shù)變化的可接受準(zhǔn)則,發(fā)展各種新的反應(yīng)譜確定方法。在設(shè)備抗震分析中,需發(fā)展概率法。對液體容器及儲藏器要考慮固液禍合,發(fā)展各種更精確、更有效的確定方法等。主要參考文獻(xiàn)1 美N.C蔡等 核電站結(jié)構(gòu)和設(shè)備抗震分