第三代核電站非核部分60年設(shè)計(jì)使用年限荷載取值分析

張 鑫，宿 檸，秦學(xué)東

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021）

我國(guó)目前主要的核電堆型已經(jīng)步入第三代核電站階段，設(shè)計(jì)使用年限60年，相應(yīng)的其非核部分結(jié)構(gòu)如常規(guī)島及附屬建（構(gòu)）筑物的設(shè)計(jì)使用年限也需要達(dá)到60年。對(duì)于核安全相關(guān)的核電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常針對(duì)荷載取值，荷載組合以及地震可靠度等方面均有專門的規(guī)定；而對(duì)于與核安全無(wú)關(guān)的常規(guī)島及附屬建（構(gòu)）筑物等非核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通常做法是按照火力發(fā)電廠以及民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前火電廠以及民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中給出的荷載及作用取值均是以50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期給出的，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)使用過(guò)程中在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載組合，并應(yīng)取各自的最不利的組合設(shè)計(jì)，因此，對(duì)于第三代核電機(jī)組非核部分，按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行分析。

1 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)

承載能力極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力，出現(xiàn)疲勞破壞，發(fā)生不適宜于繼續(xù)承載的變形或因結(jié)構(gòu)局部破壞而引發(fā)的連續(xù)倒塌。

1.1 結(jié)構(gòu)重要系數(shù)

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.3.2條規(guī)定：對(duì)持久設(shè)計(jì)狀況、短暫設(shè)計(jì)狀況和地震設(shè)計(jì)狀況，當(dāng)用內(nèi)力的形式表達(dá)時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：r0Sd≤Rd，式中：Sd為荷載組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Rd為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值；r0為重要性系數(shù)，對(duì)于不同安全等級(jí)的結(jié)構(gòu)，r0采用不同的值。

根據(jù)GB 50153—2008《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)安全等級(jí)為一、二、三級(jí)或設(shè)計(jì)使用年限分別為100年及以上、50年、5年時(shí)，r0取值分別為r0≥1.1、r0≥1.0、r0≥0.9，大部分結(jié)構(gòu)規(guī)范遵循這個(gè)原則。對(duì)于核電站常規(guī)島，常規(guī)島廠房的倒塌會(huì)危及核島廠房結(jié)構(gòu)，常規(guī)島主廠房的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)宜為一級(jí)；根據(jù)DL 5457—2012《變電站建筑設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》的相關(guān)要求，500kV 配電裝置結(jié)構(gòu)其安全等級(jí)宜為一級(jí)；其他附屬建（構(gòu)）筑物的安全等級(jí)按二級(jí)考慮。對(duì)于常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)和500kV 配電裝置結(jié)構(gòu)，其r0取1.1；而非核部分的其他附屬建（構(gòu)）筑物在進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，如果按照安全等級(jí)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取為1.0，如果按照設(shè)計(jì)使用年限60年，取r0＞1.0。設(shè)計(jì)使用年限60的主要結(jié)構(gòu)物r0取值見表1，表中其他附屬建（構(gòu)）筑物r0取1.02，是按照線性內(nèi)插求得，抗震設(shè)計(jì)不考慮r0，根據(jù)GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采取抗震措施。

表1 設(shè)計(jì)使用年限60年非核主要建（構(gòu)）筑物的r0取值

1.2 荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值

對(duì)于承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)按照下列荷載組合值中最不利的效應(yīng)設(shè)計(jì)。

對(duì)于由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd，應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：γGj為第j個(gè)永久荷載分項(xiàng)系數(shù)；γQi為第i個(gè)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)；γLi第i個(gè)可變荷載在考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)；SGjk為第j個(gè)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；SQik為第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值；ΨCi為第i個(gè)可變荷載的組合系數(shù)；m、n分別為參與組合的可變荷載數(shù)。

對(duì)于由永久荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算：

按照式（1）（2），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載取值包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載以及吊車荷載等，對(duì)于恒荷載以及吊車荷載顯然與設(shè)計(jì)使用年限無(wú)太大關(guān)系，其荷載取值仍采用原有的荷載標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于活荷載、風(fēng)荷載和雪荷載，均與荷載統(tǒng)計(jì)所采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期有關(guān)。

1.3 樓（屋）面活荷載調(diào)整系數(shù)

根據(jù)年限TL定義的標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期T（50年）定義的標(biāo)準(zhǔn)值具有相同的概率分位值的原則，GB 50009—2012中的3.2.5條給出了樓面活荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限分別為5年、50年和100年的調(diào)整系數(shù)γL，其取值分別為0.9、1.0和1.1。設(shè)計(jì)使用年限為5～100年之間的其他γL數(shù)值，采用線性內(nèi)插的方法確定。當(dāng)可變荷載服從極值型分布時(shí)，γL的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：kQ為可變荷載設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大值的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之比；δQ為可變荷載設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期最大值的變異系數(shù)。

對(duì)于核電站與核安全無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為60年時(shí)，樓屋面活荷載調(diào)整系數(shù)γL取值為1.02，相當(dāng)于將荷載規(guī)范中的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值提高2%。

1.4 風(fēng)壓和雪壓取值

風(fēng)荷載和雪荷載的取值根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限的不同，與其統(tǒng)計(jì)分析時(shí)采用的重現(xiàn)期R 相對(duì)應(yīng)，即在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)發(fā)生的荷載超越設(shè)計(jì)值的概率一致的條件下，確定60年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期下的風(fēng)荷載和雪荷載的重現(xiàn)期也為60年。GB 50009—2012給出了非標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期（10年、50年及100年）風(fēng)荷載和雪荷載的兩種取值算法。

根據(jù)已知重現(xiàn)期（10、50及100年）的風(fēng)荷載和雪荷載值，即可按照以下對(duì)數(shù)插值確定重現(xiàn)期為R的最大風(fēng)壓值和最大雪壓值xR。

對(duì)未進(jìn)行過(guò)風(fēng)荷載和雪荷載統(tǒng)計(jì)的地區(qū)，可直接采用統(tǒng)計(jì)樣本按公式（5）計(jì)算重現(xiàn)期R 下的最大雪壓和最大風(fēng)壓值XR，式中u和α為分布的位置參數(shù)和尺度參數(shù)，具體計(jì)算按照GB 50009—2012規(guī)范E.3：

以漳州核電站AP1000核電機(jī)組為例，當(dāng)?shù)?0年、50年及100年對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓分別為0.80、1.25、1.45kN／m2。根據(jù)第一種方法可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的重現(xiàn)期為60年的風(fēng)壓值為1.31kN／m2，相當(dāng)于在50年重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)風(fēng)壓值的基礎(chǔ)上乘以1.05，因此，在對(duì)核電站的非核部分的設(shè)計(jì)中，60年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的影響可以通過(guò)50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的數(shù)值上乘以相應(yīng)的系數(shù)來(lái)進(jìn)行解決。

另外，雪荷載和風(fēng)荷載類似，同樣按照式（4）（5）計(jì)算確定，60年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的影響同樣可以通過(guò)50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的數(shù)值乘以相應(yīng)的系數(shù)來(lái)進(jìn)行解決。因漳州核電站地處福建省漳州市，并無(wú)雪荷載的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)GB 50009—2012不考慮雪荷載。

1.5 荷載組合值系數(shù)

建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范中是基于可靠度理論提出來(lái)的采用分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式的形式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)使用年限提高到60年后，采用等超概率原則對(duì)50年基準(zhǔn)期下的荷載統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，以使結(jié)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)可靠指標(biāo)?，F(xiàn)行規(guī)范中認(rèn)為恒載、抗力的統(tǒng)計(jì)特性與時(shí)間無(wú)關(guān)，僅可變荷載的統(tǒng)計(jì)參數(shù)與時(shí)間有關(guān)，因此，僅考慮可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)的調(diào)整，進(jìn)一步確定出組合值系數(shù)的調(diào)整?？紤]結(jié)構(gòu)偏安全設(shè)計(jì)，60年基準(zhǔn)期下核電站非核部分建（構(gòu)）筑物設(shè)計(jì)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5，組合值系數(shù)取0.65［1］。

2 正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)

正常使用極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用的某項(xiàng)規(guī)定限制或耐久性能的某種規(guī)定狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)要達(dá)到正常使用的某項(xiàng)規(guī)定限制（變形、裂縫、舒適度等）要求進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按不同的要求來(lái)選擇荷載代表值。荷載有4種代表值，標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值。標(biāo)準(zhǔn)值是荷載的基本代表值，是結(jié)構(gòu)在50年的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，正常情況下可能出現(xiàn)的最大荷載值，其他代表值都是在標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)系數(shù)后得出的。正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為：

式中C為結(jié)構(gòu)達(dá)到正常使用要求的規(guī)定限值，例如變形、裂縫等。

對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，是由標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)控制的。標(biāo)準(zhǔn)值中的活荷載以及風(fēng)、雪荷載等同樣按照承載能力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)使用年限γL來(lái)調(diào)整，因此，當(dāng)設(shè)計(jì)使用年限為60年時(shí)，對(duì)于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，主要建（構(gòu)）筑物的荷載值同樣按照活荷載標(biāo)準(zhǔn)值提高2%。

3 60年設(shè)計(jì)使用年限的地震作用分析

抗震規(guī)范確定的地震作用取值采用的統(tǒng)計(jì)時(shí)間參數(shù)與一般的建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限一樣，都是50年，即地震的超越概率是按照50年進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)眾值烈度超越概率為63.2%，設(shè)防烈度為10%，罕遇地震為2%～3%，但是現(xiàn)行的GB 50011—2010中并沒(méi)有給出其他設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的地震參數(shù)的取值方法。

3.1 地震作用的確定

對(duì)于不同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的地震作用，根據(jù)年超越概率p（I＞iL），可以得到給定期限T 內(nèi)發(fā)生大于某一烈度iL的超越概率p（I＞iL｜T）與年超越概率的關(guān)系見式（7）：

根據(jù)抗震規(guī)范中50年設(shè)計(jì)使用年限，50年基本烈度超越概率為10%。按照式（7）得出，年超越概率為0.002 1，重現(xiàn)期為475年。對(duì)于設(shè)計(jì)年限不為50年的結(jié)構(gòu)，則具有相同概率保證的年超越概率為

為求出不同設(shè)計(jì)使用年限地震作用，可以得出地震烈度和地震加速度存在如下關(guān)系［2］：

式中：ω為烈度上限值，取12度；i0為地震烈度概率分布中值，對(duì)應(yīng)超越概率為0.632，比設(shè)防烈度低1.55度，如設(shè)防烈度為7度時(shí)，i0為5.45；K為形狀系數(shù)。對(duì)于形狀系數(shù)的計(jì)算，可以根據(jù)基本烈度與眾值烈度的值按式（10）進(jìn)行推算。以漳州核電站為例，基本烈度為7 度，形狀系數(shù)為8.333。另外，年超越概率與地震烈度存在如下關(guān)系［3］：

式中I0為50年基準(zhǔn)期對(duì)應(yīng)的基本烈度，如設(shè)防烈度為7度時(shí)，I0取7；根據(jù)式（8）求得年超越概率，按照式（11）即可得出不同設(shè)計(jì)年限的地震烈度I見表2。

表2 不同設(shè)計(jì)年限的地震烈度

從表2可知不同設(shè)計(jì)使用年限對(duì)應(yīng)的基本烈度I，按照公式（9）即可確定不同設(shè)計(jì)年限的基本地震加速度見表3。

表3 不同設(shè)計(jì)年限的地震加速度

根據(jù)表3可知，60年設(shè)計(jì)使用年限和50年設(shè)計(jì)使用年限相比，地震加速度增加了大約8%。為了設(shè)計(jì)方便，60年設(shè)計(jì)使用年限的建筑物的抗震設(shè)計(jì)地震作用取值，用GB 50011－2010 規(guī)定的截面設(shè)計(jì)的地震作用值（重現(xiàn)期為50年）乘以比例系數(shù)γ1（γ1取1.1）。

另外，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）中表1.2.7－4，60年設(shè)計(jì)使用年限的建筑物的抗震設(shè)計(jì)的地震作用取值，在GB 50011—2010 規(guī)定的截面設(shè)計(jì)的地震作用值（重現(xiàn)期為50年）上乘以比例系數(shù)γ1（γ1取1.1）；從結(jié)構(gòu)安全角度出發(fā)，對(duì)于第三代核電機(jī)組，非核部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，常規(guī)島主廠房按照50年設(shè)計(jì)使用年限計(jì)算得出作用值乘以1.2，其他附屬建（構(gòu)）筑物按照50年設(shè)計(jì)使用年限計(jì)算得出作用值乘以1.1。

3.2 地震計(jì)算分析

常規(guī)島及附屬建（構(gòu)）筑物屬于非核安全相關(guān)物項(xiàng)，因此抗震設(shè)計(jì)可按照GB 50011—2010 的相關(guān)要求進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，對(duì)于地震作用根據(jù)3.1節(jié)分析乘以相關(guān)的系數(shù)得出最后的計(jì)算結(jié)果。常規(guī)島主廠房的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（簡(jiǎn)稱乙類），需要在當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度的基礎(chǔ)上提高一度采取抗震措施，其他附屬建（構(gòu)）筑物的抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（簡(jiǎn)稱丙類），按當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度采取抗震措施即可。另外，為了確保常規(guī)島主廠房在地震時(shí)不對(duì)相鄰的核安全相關(guān)物項(xiàng)造成影響，還需要保證其在安全停堆時(shí)地震不倒塌。

4 結(jié)論及建議

a.對(duì)于恒荷載以及吊車荷載其荷載，60年設(shè)計(jì)使用年限取值仍然采用50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的荷載值，不再調(diào)整。

b.對(duì)于活荷載的取值，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為60年時(shí)，樓（屋）面活荷載調(diào)整系數(shù)γL取值為1.02，相當(dāng)于將荷載規(guī)范中的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值提高2%。

c.對(duì)于風(fēng)、雪荷載取值，根據(jù)規(guī)范給定的公式計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的重現(xiàn)期為60年的風(fēng)壓值和雪壓值。

d.對(duì)于荷載組合值系數(shù)的取值，60年使用年限下可變荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5，組合值系數(shù)取0.65。

e.對(duì)于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，60年設(shè)計(jì)使用年限的主要建（構(gòu)）筑物取值，同樣將荷載規(guī)范GB 50011—2010中的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值提高2%。

f.60年設(shè)計(jì)使用年限的建筑物的抗震設(shè)計(jì)的地震作用取值，用GB 50011—2010 規(guī)定的截面設(shè)計(jì)的地震作用值（重現(xiàn)期為50年）乘以比例不小于1.10的系數(shù)。

［1］王凱，呂令毅，周建章，等.60年基準(zhǔn)期鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠度分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2010，25（4）：33－36.

［2］毋劍平，白雪霜.不同設(shè)計(jì)使用年限下地震作用的確定方法［J］.工程抗震，2003，（2）：36－39.

［3］孫彬，牛荻濤，董振平.在役結(jié)構(gòu)抗震評(píng)估地震作用取值研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)報(bào)），2003，35（4）：312－316.