丁振坤 夏祖諷

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

核電站場(chǎng)地基巖剪切波速定義范圍研究

丁振坤 夏祖諷

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

基巖廠址的剪切波速范圍定義一直是核電站選址工作的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為了確定可按基底固端邊界考慮的硬質(zhì)基巖廠址的剪切波速，選取了從1100 m/s到3200 m/s剪切波速的幾種可能的基巖廠址特性。在這些場(chǎng)地上進(jìn)行了自由場(chǎng)分析和土-結(jié)構(gòu)相互作用分析，提取巖層反應(yīng)和結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)中的樓面反應(yīng)譜，并將結(jié)果進(jìn)行比較。通過(guò)自由場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，2400 m/s以下場(chǎng)地的地下巖層響應(yīng)較地面運(yùn)動(dòng)都有較大程度的衰減。觀察上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，2400 m/s以上的場(chǎng)地結(jié)構(gòu)上反應(yīng)基本不再發(fā)生本質(zhì)變化。結(jié)果證明，可按基底固端邊界考慮的硬基巖廠址的最小剪切波速應(yīng)定義為2400 m/s。

核電廠，SSI，硬基巖，剪切波速

長(zhǎng)期以來(lái)的研究證明，土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)于核島結(jié)構(gòu)反應(yīng)具有較大的影響。由于軟土層對(duì)于地下巖層傳遞來(lái)的地震加速度峰值會(huì)有放大作用，因此在核電站的選址過(guò)程中，一直首選硬質(zhì)基巖的廠址條件。在基巖廠址的選擇中長(zhǎng)期以來(lái)將巖層剪切波速大于1100 m/s的場(chǎng)地條件定義為硬質(zhì)基巖場(chǎng)地。在中國(guó)AP1000首先開(kāi)建的兩個(gè)廠址：三門(mén)、海陽(yáng)廠址中，巖層的剪切波速分別為：2920 m/s及1500－2400 m/s。本次研究的目的是對(duì)基巖的剪切波速進(jìn)行核電抗震分析合理性的界定，以確定在核電站抗震分析中計(jì)算模型能夠采用固端邊界假定的場(chǎng)地要求。

1 研究土層特性簡(jiǎn)介

在89版的ASCE4規(guī)范[1]中，可按基底固端邊界考慮的硬質(zhì)基巖場(chǎng)地的最小剪切波速被定義為1100 m/s，而在最新版的ASCE4修訂稿[2]中的該剪切波速限值被定義到2400 m/s。而在ISG17[3]中規(guī)定場(chǎng)地剪切波速度大于2800 m/s的場(chǎng)地才能夠采用基底固端邊界的設(shè)計(jì)假定?？梢钥闯觯绹?guó)對(duì)于可采用該假定的基巖場(chǎng)地的認(rèn)定方面越來(lái)越嚴(yán)格?？紤]到選址的可行性，需要界定一個(gè)合適基巖廠址特性，本文站在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的角度進(jìn)行了基巖場(chǎng)地剪切波速合理性的定義研究。

主要研究可能的基巖屬性為五種：HR-1、HR-2、HR-3、HR-4和HR-5。對(duì)應(yīng)的剪切波速分別為1100m/s (3600 ft/s)、1500 m/s (4900 ft/s)、2400 m/s (8000 ft/s)、2800 m/s (9200 ft/s)和3200 m/s (10400 ft/s)。

2 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

上部結(jié)構(gòu)采用了AP1000的核島三維模型進(jìn)行分析，該模型的主要特點(diǎn)為采用三維板殼單元進(jìn)行建模(圖1)。該模型包含了核島的主要組成部分，輔助廠房(AB)、屏蔽廠房(SB)、安全殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)(CIS)和鋼質(zhì)安全殼(SCV)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上加入各種基巖場(chǎng)地的土體模型，進(jìn)行土-結(jié)構(gòu)相互作用分析。取AP1000核島結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)位置5%阻尼的樓面反應(yīng)譜進(jìn)行評(píng)價(jià)。關(guān)鍵點(diǎn)分別位于CIS操作平臺(tái)位置（節(jié)點(diǎn)7735），SCV環(huán)吊附近（節(jié)點(diǎn)9827）。本文采用了有限元模擬的方式進(jìn)行研究，相應(yīng)的計(jì)算采用了SASSI軟件。

圖1 三維SASSI模型Fig.1 Three dimensional SASSI model.

3 設(shè)計(jì)輸入

圖2 加速度時(shí)程圖：(a) X方向；(b) Y方向Fig.2 Input accelertion time history: (a) X direction; (b) Y direction

采用了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜-RG1.60修正譜對(duì)應(yīng)作用在自由場(chǎng)的頂面峰值為0.3 g的兩個(gè)水平方向和一個(gè)豎向相匹配的時(shí)程曲線，水平向地震加速度見(jiàn)圖2。地震輸入定義在自由場(chǎng)地表。

4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)比五種基巖從地表到地下的巖層加速度可以發(fā)現(xiàn)，越堅(jiān)硬的巖層地下各層的加速度越接近地面加速度。將五種場(chǎng)地下的巖層加速度與地面加速度(0.3 g)比較可以發(fā)現(xiàn)，在HR-1(1100 m/s)及HR-2(1500 m/s)場(chǎng)地下，最小巖層加速度為地面加速度的94%，比較結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 巖層加速度比值Table 1 Comparison of acceleration in different soil layer.

結(jié)構(gòu)基底附近的巖層的反應(yīng)譜對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)起決定性的作用，輸出基底所在巖層(?12 m)的反應(yīng)譜并進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)Vs大于等于2400m/s 的HR-3，HR-4，HR-5條件下的基底反應(yīng)與地面輸入較為接近，而Vs低于2400 m/s的HR-1和HR-2與地面反應(yīng)譜相差較大，HR-1(1100 m/s)在5 Hz以上就偏低很多。在20?25 Hz附近，HR-1(1100 m/s)及HR-2(1500 m/s)場(chǎng)地巖層反應(yīng)譜最小值較地面運(yùn)動(dòng)分別減少了37%及25%，而HR-3(2400 m/s)場(chǎng)地較地面運(yùn)動(dòng)僅減少了10%，比較結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 核島基底附近巖層的反應(yīng)譜比值Table 2 Comparison of response spectra near basement.

對(duì)整體模型進(jìn)行土-結(jié)構(gòu)相互作用分析，輸出兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位置的樓面反應(yīng)譜，并與HR-5(Vs=3200 m/s)的場(chǎng)地下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

5 結(jié)論

(1) 巖層剪切波速度越大，地下各巖層的加速度與地面巖層值越接近，即使剪切波速為1100 m/s的巖層表面加速度也比深層基底有明顯放大。

(2) 由表1可見(jiàn)，在基礎(chǔ)埋深處(?12 m)Vs≥2400 m/s場(chǎng)地的巖層加速度已相當(dāng)接近地面加速度，而Vs=1500?1100 m/s場(chǎng)地的巖層加速度則與地面加速度相差較多。

(3) 觀察基礎(chǔ)底部附近的巖層反應(yīng)譜可以發(fā)現(xiàn)，剪切波速為1100 m/s和1500 m/s的巖層條件下計(jì)算的結(jié)果在5 Hz以上明顯較地面輸入譜要小。

(4) 觀察兩個(gè)有代表性結(jié)構(gòu)上關(guān)鍵點(diǎn)位置的樓面反應(yīng)譜可以發(fā)現(xiàn)，2400 m/s以上的場(chǎng)地結(jié)構(gòu)上反應(yīng)基本不再發(fā)生本質(zhì)變化，而在5 Hz以上Vs=1100?1500 m/s的場(chǎng)地樓面反應(yīng)譜偏低較多。

通過(guò)上述幾點(diǎn)可以認(rèn)為：從本次分析證實(shí)，工程設(shè)計(jì)中完全可將Vs≥2400 m/s作為可按基底固端邊界考慮的基巖場(chǎng)地最低要求，這也進(jìn)一步佐證了核電站抗震分析標(biāo)準(zhǔn)[2]中將基巖剪切波速的定義為2400 m/s是合理的。

圖3 CIS操作平臺(tái)位置X向反應(yīng)譜Fig.3 R.S. of CIS at operating deck in X direction.

圖4 SCV環(huán)吊X向反應(yīng)譜Fig.4 R.S. of SCV near polar crane in X direction.

參考文獻(xiàn)

1 Seismic analysis of safety-related nuclear structures and commentary[S]. ASCE 4-89, American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia, 1989

2 Seismic analysis of safety-related nuclear structures and commentary[S]. ASCE 4-09, American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia, 2010

3 Interim staff guidance on ensuring hazard-consistent seismic input for site response and soil structure interaction analyses[S]. ISG-017, U.S. Nuclear Regulatory Commission, Washington DC, 2009

Research on definition of hard rock shear wave velocity of site for nuclear power plant

DING Zhenkun XIA Zufeng
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: The definition of hard rock shear wave velocity is one of the most critical issues in the work of site selection. Purpose: To make a definition of hard rock site on which the model can be assumed as fixed-base condition, a series of research had been done. Several possible hard rock site soil models were developed. Methods: Shear wave velocity of hard rock had been assumed from 1100 m/s to 3200 m/s. For each case, free field analysis and soil structure analysis had been performed. And responses in soil and key nodes of structure were compared. Results: In free field analysis, responses of models that shear wave velocity below 2400 m/s decreased a lot. In SSI analysis, structure responses didn’t change much when shear wave velocity was above 2400 m/s. Conclusions: 2400 m/s was the lowest shear wave velocity for hard rock site for fixed-base assumption.

Nuclear power plant, SSI, Hard rock, Shear wave velocity

TU352.1+1，TM621.1，TM623.1

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040657

丁振坤，男，1984年出生，2009年于東南大學(xué)獲碩士學(xué)位，結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè)，工程師

2012-11-06，

2012-02-19

CLC TU352.1+1, TM621.1, TM623.1