核电站抗震设计基本概念

核电站抗震设计基本概念前言•地震是危及人民生命财产的突发性的自然灾害，它以其巨大的能量摧毁整个城市，夺走成千上万条生命，是自然界最严重的灾害。•我国是一个多地震的国家，中国位于欧亚大陆的东南端，受到欧亚板块、太平洋板块和印度板块的挤压，因此我国地震区域广阔分散，而且地震频繁并强烈。20世纪以来我国发生过8级和8级以上的大地震10次•1902.8.22新疆阿图什81/4级•1908.12.23新疆玛纳斯西南8•1920.6.5台湾斗花莲海外8•1920.12.16宁夏海原8½•1927.5.23甘肃古浪8•1931.8.11新疆富蕴8•1950.8.15西藏察隅8½•1951.11.18西藏当雄8•1972.1.25台湾义新港东海中8•2008.5.12四川汶川8震级与烈度•震级是表征地震强弱的量度，它是地震的基本参数之一。地震烈度是地震对地面影响的强烈程度，即地震动的幅值。地震烈度表把地震的强烈程度，从无感到全毁划分为12个等级。在核电工程中，地震动的强度用加速度来表示。.烈度地震动幅值M.S.Kcm/s2中国(1980)VII50-100125(90-177)VIII100-200250(178-353)IX200-400500(354-707)X400-8001000(708-1414)核电厂抗震的重要意义•核电厂中聚集着大量放射性物质，如果一旦遭到破坏可能使放射性物质外泄，对公众的生命和健康造成危害。如果反应堆系统受到破坏会造成影响范围更大的核事故。•地震扰动具有同时破坏核电厂重复部件的潜力，使核电厂安全设计的多重性和多样性防护准则受到破坏。核电厂抗震设计的基本要求1.反应堆冷却剂承压边界的完整性；2.安全仃堆并将反应堆保持在安全仃堆状态；3.防止造成照射水平超过容许值的潜在厂外辐射事故，或具有减轻其后果的能力。抗震设计的法规、导则HAF0100核电厂厂址选择安全规定HAD0101核电厂厂址地震及其有关问题HAD0215(1)核电厂的地震分析及试验NRC标准审查大纲(SRP)3.7节RG1.29有关地震的设计分类RG1.60核电厂抗震设计的设计反应谱RG1.61核电厂抗震设计的阻尼值抗震设计的法规导则(续)RG1.92地震反应分析中模态反应和空间分量的组合RG1.122楼板支承的设备或部件抗震设计楼板反应谱的编制RG1.89核电厂1E级设备的鉴定RG1.100核电厂电气设备的抗震鉴定IEEE344-2004核电厂1E设备抗震鉴定的推荐方法抗震设计的法规导则(续)HAF.J0053核设备抗震鉴定试验指南GB50267-97核电厂抗震设计规范核电厂抗震设计的步骤地震环境要考虑两种级别的地震动运行安全地震震动(SL1)(OBE)在设计基准期中年超越概率为千分之二的地震动，其峰值加速度不小于0.075g，通常为核电厂能正常运行的地震动。极限安全地震震动(SL2)(SSE)在设计基准期中年超越慨率为万分之一的地震震动，共峰值加速度不小于0.15g。通常为核电厂区可能遭遇的最大地震震动。抗震设计模拟地震地面运动•反应谱•时间历程•功率谱密度函数反应谱•定义：反应谱是一系列单自由度振子受一输入加速度运动时，其峰值反应与频率的函数。亦是阻尼的函数。•在工程上的意义：a.表示地震波对单质点系统结构物的最大响应。b.用零周期加速度ZPA表征输入运动的峰值加速度。对应的频率即反应谱高频未放大部份的最低频率称为截断频率。c.表明输入运动的频率分量，可以看到每一频率对应的加速度值。d.从巳知的加速度反应谱可以推导出相应的速度谱和位移谱。楼层反应谱•安装位置对地震输入的影响：安装在厂房结构上的设备，由于在地基和设备之间介入了支承结构，设备的动力反应有许多不同。建筑物的作用是对地震运动起放大和过泸作用。•将整个建筑物与设备作为单一数学模型，由于需要大量的自由度并使其合成的刚度矩阵可能出现病态。相对支承结构具有小质量的大多数设备，可采用楼层反应谱。其它较大的设备系统，可与支承结构一起进行整体分析，以计入可能的动力相互作用。加速度时间历程•地震运动的加速度时间历程可采用实际地震加速度记录或采用三角级数叠加法生成。•用于自由场的设计时程必须满足：•对于单组(包括二条水平方向和一条竖直方向)设计加速度时程：a.人工加速度时程必须包络所有阻尼的目标反应谱，不得有多于5点低于要求反应谱的百分之十。b.在频率0.3至24Hz范围内的功率谱密度函数曲线必须包络由要求反应谱计算出的对应频率范围内的功率谱密度的百分之八十曲线。c.同时，二条水平方向和一条竖直方向时程曲线必须是统计独立的，其相关系数绝对值小于0.3。加速度时间历程(续)•多组时间历程对单条时程计算的反应谱不必包络目标反应谱，但由这些时程计算的平均反应谱必须包络目标反应谱。其它要求同前。结构的抗震分析•在设计核电厂安全相关的建筑结构时，应考虑两类地震，一般采用动力分析方法。目前设计实践中大多采用线性分析法，只在必要时采用非线性分析法。•在地震工程中工程经验和工程师的判断具有重要意义，尽管由于计算机的发展和有限元技术的应用，解决结构动力学问题巳经变得简单易行了。计算模型的建立•去耦分析•结构(主系统)和设备(被支承系统)单独进行分析；设备的质量通常包括在结构模型安装点上；结构分析输出时间历程(或楼层谱)用作设备分析的输入。•NRCSRP去耦准则Rm=被支承系统总质量/支承系统的总质量Rf=被支承系统的基频/支承系统的主导频率去耦准则•若Rm0.01,对住何频率比都可去耦；•若0.01Rm0.1则当0.8Rf或Rf1.25可去耦；•若Rm0.1子系统的近似模型应包括在主系统的模型上。若子系统与主系统相比刚性较大，则只包括质量即可；若子系统很柔，则所无需考虑子系统。计算模型•数学模型应尽可能与实际结构等效，能比较准确地代表实际结构的动力性状。任何结构均可离散成各种单元。•对于建筑物，一般节点选择在集中质量处、截面变化处、结构连接处。质量集中在楼板上时，应包括楼板自重、固定设备的质量和正常运行下的运行荷载。柱和详体的质量则在相邻两悴楼板上分配。•在集聚质量时必须：一、系统总质量守恒；二、每一个系统和总系统的重心保持不变；三、对于每一系统和总系统绕主轴的旋转惯性保持不变。计算模型(续)•模型应包括足够的质点或自由度，以便足够数量的振型参加工作。如果附加的自由度所引起的响应增量不大于百分之十时，则认为质量或自由度是足够的。或者自由度数可取低于33Hz振型数的2倍。阻尼•振动系统存在的阻尼包括结构阻尼和振动系统与周围介质相互作用两部份。在线性振动理论中假定阻尼是线性的纯粘性的。•Rg1.61按照不同应力水平采用，即按SSE,OBE两类地震推荐。•RCC-G规定对于予应力砼阻尼比均为5%，对钢筋砼阻尼比均为7%,不管应力水平。•经过试验允许采用比规范为高的阻尼值，如AP1000采用如下的阻尼值(对于SSE):阻尼(续)•燃料组件20%•控制棒驱动机构5%•满载电缆托架及支承10%•空载电缆托架及支承7%•导管7%•HVAC管道7%•焊接HVAC管道4%•电器柜5%