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,結構與地基的相互作用 ,逐層加速度譜及反應譜的確定,建筑物及設備的抗展計算 ,地基、基礎及地下建筑的抗震計算等 研究狀況作一些綜述,并在此基礎上展望一下需要解決的問題關鍵詞： 核電站 抗震分析 結構及設備抗震性 抗震安全社會背景：2011年03月14日，日核電站面臨再爆炸風險 抗震能力設計不足惹禍；2010年的伊朗6.5級地震；2008年的四川地震等，這些

2、地震擺在我們人類的面前不得不說，我們研究核電站的防震能力不僅與核電站的結構和地基等宏觀因素有關，而且也和微觀設計因素有關，例如窗戶玻璃的防護、書架和安全柜的擺設以及吊燈的設計等等，必須綜合考慮各種因素才能把地震災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 結構與地基的相互作用四 結語一 抗震分析的目的;l 抗震分析的三個任務：1 確定地震任務2 計算核電站的抗震反應3 最基本的要求是保證設備在正常環(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：設計地震和抗震設計 (1)外部荷載、地震作用結構結構響應結構設計。 (2)輸入結構響應、其它輸入條件設備設備響應設備

3、設計、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，具有嚴格的法規(guī)、標準和安全導則體系。 選址：HAD101/01、RG1.165、NS-G- - 分析/設計：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（結構 系統(tǒng)和部件-SSCs）的安全重要性，進行抗震分類。-RG1.29定義三類： -抗震I類（C-I）: 安全相關，保持功能保證完整性 -抗震II類（C-II）:間接安全相關，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構和設備模型化 結構模型和設備模型 集中質量法 - 集中質量模型(單質點模型) - 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防水準 - 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、設備的抗震分析與設計

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

6、（或消減）效應 反應譜與時程的對應關系反應譜（頻域f-a） 時程（時域t-a）其中，數(shù)學變換為Nigam-Jennings積分廠址的土壤狀況對地震動的影響要進行分析。當?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的土壤層 自由表面 的運動或在其它標高處的運動或土壤 內其它 點 與之相應的運動或應力 若地震動是定義在土層表面 ,在用有限元離散法研究 土 一 結構相互作用 時 ,這種分析要給出研究范圍邊界底部的相應運動。這種分析方法通常在頻域內進行,并利用線彈性 。非線性分析通常用迭代線性化法進行 ,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)隨機過程。最早的非平穩(wěn)模型為振幅非平穩(wěn) 隨機過程 ,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)計動力學已發(fā)展得比較成熟。非線性系統(tǒng)的統(tǒng)計動力學要復雜得多,目前對單自由度系統(tǒng)在平穩(wěn)隨機輸人情況下已發(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,此外還有隨機平均法、等效線性化法等在結構受隨機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中得到應用其它近似方法有泊松模型法,用離散極值點代替原隨機過程法等。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,如與響應表面法等相結合的

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 ?，F(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 ,因而結構設計計算 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、抗震準則等的不適合性及結果解釋的不一致 ,即地震作用及結構行為信息不足 。在現(xiàn)行規(guī)范中有許多因素未考慮 ,如作用 的波動性、結構與地基的相互作用、結構非線性 變形、連續(xù)性破壞導致的應力重分布等。考慮這些因素能使計算模型更與

10、現(xiàn)實相符 計算結果更可信 能更好地評價結構承載能力的儲備三 結構與地基的相互作用在一般結構的抗震計算中,通常假設建筑物地基的運動特征不取決于建筑物形狀尺寸及力學性質,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。因此要求考察結構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。在確定結構固有頻率及振型中,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構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構物相互作用模型,以便能定性地評價相互作用效應,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 ,而其阻尼性質由慣性半空間解來確定 。考慮到結構物的彈性時,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 結構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,加速度譜應考慮到能量損失進行換算,這樣對象核電站這樣的大塊剛性結構來講,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構物的參數(shù)

13、,而且取決于地基與結構物的相互作用,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,結構物的衰減增加了,但在實踐中通常采用 比較保守的值 ,使強度留有余地。四 結語由于近年來的研究工作,現(xiàn)在可以用一個期望的風險水平或發(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。結構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)計動力學及可靠性理論 ,尤其是對多自由度系統(tǒng),取得了很大進展,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 。結構根據(jù)研究目的的不同,采用簡化或復雜的模型。需要發(fā)展和完善各種計算方法在可靠性分析中,不僅要進行強度分析。而且要進行防泄漏等分析,即進行多準則分析。同時也應在不同的設計階段 ,考慮到各種不定因素,運用概率法分析,并保守地考慮結構延性 在動力分析中,要考慮高頻的影響并確定 自由度足夠性準則。逐層反應譜的計算 ,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)計動力學法也得到了很大發(fā)展。還需確定各種因素對反應譜的影響及參數(shù)變化的可接受準則,發(fā)展各種新的反應譜確定方法。在設備抗震分析中,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1 美N.C蔡等 核電站結構和設備抗震分