浅谈核电厂抗震计算

浅谈核电厂抗震计算

摘要：核电厂因其特殊性其抗震计算相对于常规民用建筑标准有较大提高。根

据核电厂各构筑物的重要程度，核电厂抗震设计规范将核电厂构筑物划分为三类

物项（Ⅰ类物项、Ⅱ类物项、Ⅲ类物项），其中Ⅰ类物项的计算要求更为严苛，

且一直是设计的重点，本文通过对建筑抗震规范和核电厂抗震规范进行了简要的

梳理对比，旨在说明核电抗震计算的不同之处。

关键词：核电厂抗震；建筑抗震；三类物项

1.执行规范

（1）一般建筑（抗震设防烈度大于9度地区的建筑及行业有特殊要求的工业建筑外）抗震计算执行标准：

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）

（2）核电厂抗震计算执行标准：

《核电厂抗震设计规范》GB50267-97。

2.建筑抗震计算介绍［1］

2.1基本术语

（1）抗震设防烈度

一般情况，过去50年内超越概率10%的地震烈度。

（2）设计基本地震加速度

50年设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计取值。

（3）设计特征周期

指抗震设计用的地震影响系数曲线中，反应地震震级、震中距和场地类型等

因素的下降段起始点对应的周期值，简称特征周期。

2.2基本原则

《建筑抗震设计规范》的抗震设计可总结为三水准设防目标和两阶段设计。

三水准设防：

（1）小震不坏（多遇地震）；50年超越概率63%（即50年至少发生一次的

概率63%）等价于年发生概率1/50等价于重现期50年。

（2）中震可修（设防地震），50年超越概率10%（即50年至少发生一次的

概率10%）等价于年发生概率1/475等价于重现期475年。

（3）大震不倒（罕遇地震），50年超越概率2%～3%（即50年至少发生一

次的概率2%～3%）等价于年发生概率1/1600～2400等价于重现期1600～2400年。

两阶段设计：

第一阶段：对绝大多数结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析，假定结

构处于弹性工作状态，内力和变形分析可采用线性动静力分析方法；

第二阶段：一些规范规定的结构（不规则且具有明显薄弱部位）进行罕遇地

震作用下的弹塑性变形分析。

2.3计算方法

（1）等效静力法（底部剪力法）：高度40m以下、质量刚度均匀等

将地震力作为一个静荷载施加于结构上，然后像处理静力问题一样计算结构

的地震内力和变形。

（2）反应谱法：普适

根据规范推荐的反应谱曲线，计算结构前几阶振型的地震反应值并进行组合，

从而计算结构的地震内力和变形。

（3）时程分析法：普适（特别不规则、甲类建筑等的补充计算）

对结构在地震作用下的动力方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法，可得到地震作用下各质点随时间变化的位移、速度、加速度，进而计算出结构内

力和变形的时程变化。

3.核电厂抗震计算介绍［2］

3.1基本术语

（1）三类物项，核电厂的物项应根据其对核安全的重要性划分为以下三类物项：

Ⅰ类物项：核电厂中与核安全有关的重要物项，包括损坏后会直接或间接造

成事故的物项；保证反应堆安全停堆并维持停堆状态及排出余热所需的物项；地

震时和地震后为减轻核事故破坏后果所需的物项以及损坏或丧失功能后会危及上

述物项的其他物项。

Ⅱ类物项：核电厂中除Ⅰ类物项外与核安全有关的物项，以及损坏或丧失功

能后会危及上述物项的与核安全无关的物项。

Ⅲ类物项：核电厂中与核安全无关的物项。

（2）运行安全地震震动

在设计基准期中年超越概率为2‰的地震震动，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震动。

（3）极限安全地震震动

在设计基准期中年超越概率为0.1‰的地震震动，其峰值加速度不小于0.15g。通常为核电厂区可能遭遇的最大地震震动。

3.2基本原则

Ⅰ类物项：应同时采用运行安全地震震动和极限安全地震震动进行抗震设计；

Ⅱ类物项：应采用运行安全地震震动进行抗震设计；

Ⅲ类物项：应按国家现行的有关抗震设计规范进行抗震设计。

核电厂物项的抗震计算可采用线性计算方法。物项的弱非线性，可采用较大

的阻尼来处理；物项的强非线性，计算时必须计入刚度和阻尼的变化。土体结构

的强非线性，可采用等效线性化法进行计算。

3.3计算方法

通常情况下，Ⅰ、Ⅱ类物项的抗震设计应采用反应谱法和时间过程计算法。

当有充分论据能保证安全时也可采用等效静力计算法。总体方法与建筑抗震规范

约定的方法一致。

4.建筑抗震与核电抗震对比

4.1设防标准的对比

建筑抗震设计规范采用的设防标准见下表：

表4.4-1 建筑抗震规范三水准设防

注：1、运行安全地震震动所指的在设计基准期中年超越概率为2‰的地震震动，为便于对比

建筑抗震设计规范，换算为50年（核电设计基准期一般为40年）超越概率为9.5%。

2、极限安全地震震动所指的在设计基准期中年超越概率为0.1‰的地震震动，相当于50

年超越概率0.5%。

通过上述表格对比，可发现核电厂抗震标准的“第一阶段”可近似等价于建筑抗震标准的

第一阶段，但是超越概率仅为建筑标准的1/6不到。而核电厂“第二阶段”比建筑标准的第三

阶段要求更高，不仅是概率意义的降低，更是提出了确保压力边界完整等要求。

4.2计算原则对比

建筑抗震设计规范对于多数结构规定采用线性计算方法，对于不规则且具有明显薄弱部

位可能导致重大地震破坏的建筑结构应进行弹塑性的计算分析。

核电厂抗震设计规范，一般建议采用线性计算方法，对非线性不作强制性要求，非线性

问题基本通过简化方法处理。在实际设计工作中，一般可不作非线性计算。

核电厂抗震规范对非线性的计算要求比建筑规范要求有所降低，究其原因：一方面，核

电抗震设防标准比建筑标准高，在同一场地其地震动参数大于建筑标准，使得根据计算结果

设计的结构更加稳固，从源头确保结构承载力。另一方面，核电厂抗震规范为97年发布，

至今20余年间未升版或修订，其规定的条款已显落后，在实际设计工作中，非线性有限元

的计算已取得很大进步；而建筑抗震规范在2016年刚做了修订，紧跟技术发展。

参考文献

[1] GB50011-2010（2016年版）．建筑抗震设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2] GB50267-97．核电厂抗震设计规范［S］．北京：中国计划出版社，1998.

[3] GB50010-2010．混凝土结构设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010．