核电站场地基岩剪切波速定义范围研究

丁振坤 夏祖讽

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

核电站场地基岩剪切波速定义范围研究

丁振坤 夏祖讽

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

基岩厂址的剪切波速范围定义一直是核电站选址工作的关键问题之一。为了确定可按基底固端边界考虑的硬质基岩厂址的剪切波速，选取了从1100 m/s到3200 m/s剪切波速的几种可能的基岩厂址特性。在这些场地上进行了自由场分析和土-结构相互作用分析，提取岩层反应和结构关键点中的楼面反应谱，并将结果进行比较。通过自由场分析发现，2400 m/s以下场地的地下岩层响应较地面运动都有较大程度的衰减。观察上部结构响应发现，2400 m/s以上的场地结构上反应基本不再发生本质变化。结果证明，可按基底固端边界考虑的硬基岩厂址的最小剪切波速应定义为2400 m/s。

核电厂，SSI，硬基岩，剪切波速

长期以来的研究证明，土-结构相互作用对于核岛结构反应具有较大的影响。由于软土层对于地下岩层传递来的地震加速度峰值会有放大作用，因此在核电站的选址过程中，一直首选硬质基岩的厂址条件。在基岩厂址的选择中长期以来将岩层剪切波速大于1100 m/s的场地条件定义为硬质基岩场地。在中国AP1000首先开建的两个厂址：三门、海阳厂址中，岩层的剪切波速分别为：2920 m/s及1500－2400 m/s。本次研究的目的是对基岩的剪切波速进行核电抗震分析合理性的界定，以确定在核电站抗震分析中计算模型能够采用固端边界假定的场地要求。

1 研究土层特性简介

在89版的ASCE4规范[1]中，可按基底固端边界考虑的硬质基岩场地的最小剪切波速被定义为1100 m/s，而在最新版的ASCE4修订稿[2]中的该剪切波速限值被定义到2400 m/s。而在ISG17[3]中规定场地剪切波速度大于2800 m/s的场地才能够采用基底固端边界的设计假定。可以看出，美国对于可采用该假定的基岩场地的认定方面越来越严格。考虑到选址的可行性，需要界定一个合适基岩厂址特性，本文站在工程设计实践的角度进行了基岩场地剪切波速合理性的定义研究。

主要研究可能的基岩属性为五种：HR-1、HR-2、HR-3、HR-4和HR-5。对应的剪切波速分别为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 计算模型简介

上部结构采用了AP1000的核岛三维模型进行分析，该模型的主要特点为采用三维板壳单元进行建模(图1)。该模型包含了核岛的主要组成部分，辅助厂房(AB)、屏蔽厂房(SB)、安全壳内部结构(CIS)和钢质安全壳(SCV)。在这个结构模型基础上加入各种基岩场地的土体模型，进行土-结构相互作用分析。取AP1000核岛结构的关键点位置5%阻尼的楼面反应谱进行评价。关键点分别位于CIS操作平台位置（节点7735），SCV环吊附近（节点9827）。本文采用了有限元模拟的方式进行研究，相应的计算采用了SASSI软件。

图1 三维SASSI模型Fig.1 Three dimensional SASSI model.

3 设计输入

图2 加速度时程图：(a) X方向；(b) Y方向Fig.2 Input accelertion time history: (a) X direction; (b) Y direction

采用了标准设计反应谱-RG1.60修正谱对应作用在自由场的顶面峰值为0.3 g的两个水平方向和一个竖向相匹配的时程曲线，水平向地震加速度见图2。地震输入定义在自由场地表。

4 计算结果

通过对比五种基岩从地表到地下的岩层加速度可以发现，越坚硬的岩层地下各层的加速度越接近地面加速度。将五种场地下的岩层加速度与地面加速度(0.3 g)比较可以发现，在HR-1(1100 m/s)及HR-2(1500 m/s)场地下，最小岩层加速度为地面加速度的94%，比较结果详见表1。

表1 岩层加速度比值Table 1 Comparison of acceleration in different soil layer.

结构基底附近的岩层的反应谱对于整个结构的反应起决定性的作用，输出基底所在岩层(−12 m)的反应谱并进行比较，可以发现Vs大于等于2400m/s 的HR-3，HR-4，HR-5条件下的基底反应与地面输入较为接近，而Vs低于2400 m/s的HR-1和HR-2与地面反应谱相差较大，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)场地岩层反应谱最小值较地面运动分别减少了37%及25%，而HR-3(2400 m/s)场地较地面运动仅减少了10%，比较结果详见表2。

表2 核岛基底附近岩层的反应谱比值Table 2 Comparison of response spectra near basement.

对整体模型进行土-结构相互作用分析，输出两个关键点位置的楼面反应谱，并与HR-5(Vs=3200 m/s)的场地下的结构反应进行比较，比较结果见图3和图4。

5 结论

(1) 岩层剪切波速度越大，地下各岩层的加速度与地面岩层值越接近，即使剪切波速为1100 m/s的岩层表面加速度也比深层基底有明显放大。

(2) 由表1可见，在基础埋深处(−12 m)Vs≥2400 m/s场地的岩层加速度已相当接近地面加速度，而Vs=1500−1100 m/s场地的岩层加速度则与地面加速度相差较多。

(3) 观察基础底部附近的岩层反应谱可以发现，剪切波速为1100 m/s和1500 m/s的岩层条件下计算的结果在5 Hz以上明显较地面输入谱要小。

(4) 观察两个有代表性结构上关键点位置的楼面反应谱可以发现，2400 m/s以上的场地结构上反应基本不再发生本质变化，而在5 Hz以上Vs=1100−1500 m/s的场地楼面反应谱偏低较多。

通过上述几点可以认为：从本次分析证实，工程设计中完全可将Vs≥2400 m/s作为可按基底固端边界考虑的基岩场地最低要求，这也进一步佐证了核电站抗震分析标准[2]中将基岩剪切波速的定义为2400 m/s是合理的。

图3 CIS操作平台位置X向反应谱Fig.3 R.S. of CIS at operating deck in X direction.

图4 SCV环吊X向反应谱Fig.4 R.S. of SCV near polar crane in X direction.

参考文献

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年于东南大学获硕士学位，结构工程专业，工程师

2012-11-06，

2012-02-19

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