王芳 林海

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

0 引言

核電廠應(yīng)急指揮中心是核電廠營(yíng)運(yùn)單位應(yīng)急響應(yīng)的指揮、管理和協(xié)調(diào)中樞，是應(yīng)急期間應(yīng)急響應(yīng)指揮部的工作場(chǎng)所。根據(jù)《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》，每個(gè)核電廠必須設(shè)置一個(gè)與核電廠控制室相分離的廠內(nèi)應(yīng)急控制中心，作為應(yīng)急事故發(fā)生時(shí)，應(yīng)急指揮人員工作、生活的場(chǎng)所，并且可以長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)在場(chǎng)人員，以便防止嚴(yán)重事故對(duì)他們的危害。

日本福島事故以前，已建或在建(包括現(xiàn)有設(shè)計(jì))的應(yīng)急指揮中心屬于與核安全無(wú)關(guān)的Ⅲ類物項(xiàng)，即核電廠中與核安全無(wú)關(guān)的物項(xiàng)。根據(jù)GB 50223-2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，即除了特殊設(shè)防、重點(diǎn)設(shè)防和適度設(shè)防外按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)防的建筑，為丙類建筑。日本福島事故后，國(guó)家對(duì)于核電廠的核安全以及核應(yīng)急提出了更高要求。國(guó)家核安全2012年發(fā)布了《福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求》(以下簡(jiǎn)稱《通用技術(shù)要求》)，根據(jù)此規(guī)定，應(yīng)急控制中心按廠址所在地區(qū)地震基本烈度提高1度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，并按照設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震動(dòng)SL2(相當(dāng)?shù)牡孛婕铀俣?進(jìn)行校核。

1 核電廠與民用建筑抗震設(shè)計(jì)的區(qū)別

核電廠建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)與一般民用建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)有所不同:

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

2)抗震設(shè)計(jì)原則不同。民用建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)是“三水準(zhǔn)，兩階段設(shè)計(jì)”。核電廠中核安全有關(guān)的廠房抗震設(shè)計(jì)是按照廠址的運(yùn)行安全地震震動(dòng)(SL1)和極限安全地震震動(dòng)的加速度(SL2)進(jìn)行計(jì)算。

3)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜不同。核電廠抗震設(shè)計(jì)一般采用美國(guó)RG1.60譜或場(chǎng)地地震相關(guān)反應(yīng)譜，民用建筑抗震按地震影響曲線計(jì)算。此曲線相當(dāng)于地面反應(yīng)譜。

4)地面加速度取值不同。民用建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)建筑物所在廠址的抗震設(shè)防烈度進(jìn)行設(shè)計(jì)的，基本地震加速度是按50年的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期超越概率10%(重現(xiàn)期475年)的地震加速度作為設(shè)計(jì)取值。SL1的加速度是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期中年超越概率為2‰的地震震動(dòng)。SL2加速度是按在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期中年超逾概率為0.1‰(重現(xiàn)期為10 000年)的地震加速度作為設(shè)計(jì)取值。

若用核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)急指揮中心進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)高于《通用技術(shù)要求》的標(biāo)準(zhǔn)，按“三水準(zhǔn)、兩階段”的小震作用進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)則沒有滿足其要求，因此按SL2相當(dāng)?shù)牡孛婕铀俣冗M(jìn)行彈性設(shè)計(jì)是合適的。

2 應(yīng)急指揮中心抗震設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

某核電廠應(yīng)急指揮中心為現(xiàn)澆鋼筋混凝土抗震墻結(jié)構(gòu)，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?；炷敛捎肅35混凝土?；A(chǔ)采用混凝土墻下條形基礎(chǔ)。

本建筑物按使用年限50年設(shè)計(jì)，建筑場(chǎng)地類別為Ⅰ1類，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，特征周期為0.35 s，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，建筑抗震設(shè)防類別為甲類。平面圖見圖1。此類建筑的特點(diǎn)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(fēng)壓 1.00 kN/m2，地面粗糙度類別 A 類。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部開發(fā)的SATWE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)中震彈性計(jì)算。在中震彈性設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，沒有內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，但保留了荷載分項(xiàng)系數(shù)，材料強(qiáng)度按設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值。PKPM分析方法過(guò)程簡(jiǎn)單，而且可以直接求得配筋結(jié)果。

現(xiàn)用有限元軟件ANSYS做譜分析，進(jìn)一步對(duì)該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和抗震性能進(jìn)行分析，并將計(jì)算結(jié)果與PKPM計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.2 地震反應(yīng)譜數(shù)值取值

根據(jù)《通用技術(shù)要求》，應(yīng)急指揮中心在民用規(guī)范體系下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本烈度增加1度即按照8度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，本場(chǎng)地的極限安全地震動(dòng)SL2的水平地面加速度峰值0.2g，所以按8度(0.2g)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的中震彈性設(shè)計(jì)。當(dāng)利用PKPM進(jìn)行中震彈性分析時(shí)，需要修改水平地震影響系數(shù)αmax=0.444。

當(dāng) T=0時(shí)，α=0.45αmax;

令 0.45αmax=0.2，得 αmax=0.444。

在用ANSYS采用反應(yīng)譜法進(jìn)行地震作用的響應(yīng)分析時(shí)，按照GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范定義頻率反應(yīng)譜曲線，具體數(shù)值見表1。計(jì)算采用混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)譜的相關(guān)參數(shù)

圖2 ANSYS譜分析中輸入的譜值

3 整體模型分析

3.1 結(jié)構(gòu)模型

按實(shí)際結(jié)構(gòu)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(shè)備基礎(chǔ)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(yīng)的樓板上，屋面活荷載不計(jì)入，樓面活荷載組合系數(shù)取0.5。

坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在①軸線和?軸線的交點(diǎn)，X方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的長(zhǎng)邊方向;Y方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的短邊方向;Z方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的高度方向。該模型劃分單元網(wǎng)格0.6 m，共有12 217個(gè)節(jié)點(diǎn)，13 337個(gè)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(tài)分析

ANSYS提供的模態(tài)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(tài)。振型組合采用“平方和的平方根法”(SRSS)法。由于結(jié)構(gòu)X方向尺寸遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)的性能，計(jì)算時(shí)，輸入Y方向的地震作用分析Y方向的變形和內(nèi)力。

PKPM和ANSYS軟件的模態(tài)分析結(jié)果如表2所示，在PKPM計(jì)算需要考慮樓梯對(duì)剛度的貢獻(xiàn)。從表3可以看出，兩種軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)質(zhì)量相當(dāng)。但ANSYS計(jì)算的頻率稍微比PKPM大一點(diǎn)，說(shuō)明ANSYS建立的三維模型剛度略大。

表2 結(jié)構(gòu)主頻 Hz

表3 結(jié)構(gòu)質(zhì)量 t

3.3 層剪力

PKPM和ANSYS軟件的振型分解反應(yīng)譜方法計(jì)算的層剪力結(jié)果見表4。ANSYS計(jì)算的第二層剪力結(jié)果和PKPM的結(jié)果很接近，第一層的ANSYS層剪力結(jié)果是PKPM結(jié)果的85%，主要是因?yàn)锳NSYS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(jié)構(gòu)位移

樓層的最大位移和平均位移見表5，可以看出，ANSYS計(jì)算的位移結(jié)果和PKPM計(jì)算的位移結(jié)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(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上論述，可以得出結(jié)論，盡管民用建筑抗震設(shè)計(jì)和核安全相關(guān)物項(xiàng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范要求有所不同，但是做到對(duì)規(guī)范條文的深刻理解，合理的設(shè)置計(jì)算參數(shù)，對(duì)于非框架的墻板結(jié)構(gòu)，用PKPM軟件也是可以代替ANSYS進(jìn)行中震彈性計(jì)算的，二者計(jì)算結(jié)果相近，可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。

［1］ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB 50267-97，核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］周 穎，呂西林.中震彈性設(shè)計(jì)與中震不屈服設(shè)計(jì)的理解及實(shí)施［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2008(6):73.