张 鑫，宿 柠，秦学东

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

我国目前主要的核电堆型已经步入第三代核电站阶段，设计使用年限60年，相应的其非核部分结构如常规岛及附属建（构）筑物的设计使用年限也需要达到60年。对于核安全相关的核电结构设计，通常针对荷载取值，荷载组合以及地震可靠度等方面均有专门的规定；而对于与核安全无关的常规岛及附属建（构）筑物等非核结构的设计，通常做法是按照火力发电厂以及民用建筑结构设计规范进行设计。目前火电厂以及民用建筑设计规范中给出的荷载及作用取值均是以50年设计基准期给出的，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，建筑结构设计应根据使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并应取各自的最不利的组合设计，因此，对于第三代核电机组非核部分，按照承载能力极限状态和正常使用极限状态进行分析。

1 承载能力极限状态设计

承载能力极限状态是指结构或结构构件达到最大承载能力，出现疲劳破坏，发生不适宜于继续承载的变形或因结构局部破坏而引发的连续倒塌。

1.1 结构重要系数

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》第3.3.2条规定：对持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况，当用内力的形式表达时，结构构件应采用承载能力极限状态设计表达式：r0Sd≤Rd，式中：Sd为荷载组合效应设计值；Rd为结构构件抗力设计值；r0为重要性系数，对于不同安全等级的结构，r0采用不同的值。

根据GB 50153—2008《工程结构可靠性设计统一标准》，对安全等级为一、二、三级或设计使用年限分别为100年及以上、50年、5年时，r0取值分别为r0≥1.1、r0≥1.0、r0≥0.9，大部分结构规范遵循这个原则。对于核电站常规岛，常规岛厂房的倒塌会危及核岛厂房结构，常规岛主厂房的结构安全等级宜为一级；根据DL 5457—2012《变电站建筑设计技术规定》的相关要求，500kV 配电装置结构其安全等级宜为一级；其他附属建（构）筑物的安全等级按二级考虑。对于常规岛主厂房结构和500kV 配电装置结构，其r0取1.1；而非核部分的其他附属建（构）筑物在进行承载能力极限状态设计时，如果按照安全等级结构重要性系数，取为1.0，如果按照设计使用年限60年，取r0＞1.0。设计使用年限60的主要结构物r0取值见表1，表中其他附属建（构）筑物r0取1.02，是按照线性内插求得，抗震设计不考虑r0，根据GB 50011－2010《建筑抗震设计规范》采取抗震措施。

表1 设计使用年限60年非核主要建（构）筑物的r0取值

1.2 荷载效应设计值

对于承载能力极限状态设计，应按照下列荷载组合值中最不利的效应设计。

对于由可变荷载控制的效应设计值Sd，应按下式进行计算：

式中：γGj为第j个永久荷载分项系数；γQi为第i个可变荷载分项系数；γLi第i个可变荷载在考虑设计使用年限的调整系数；SGjk为第j个永久荷载标准值；SQik为第i个可变荷载标准值；ΨCi为第i个可变荷载的组合系数；m、n分别为参与组合的可变荷载数。

对于由永久荷载控制的效应设计值，应按下式进行计算：

按照式（1）（2），结构设计荷载取值包括恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载以及吊车荷载等，对于恒荷载以及吊车荷载显然与设计使用年限无太大关系，其荷载取值仍采用原有的荷载标准值。对于活荷载、风荷载和雪荷载，均与荷载统计所采用的设计基准期有关。

1.3 楼（屋）面活荷载调整系数

根据年限TL定义的标准值与设计基准期T（50年）定义的标准值具有相同的概率分位值的原则，GB 50009—2012中的3.2.5条给出了楼面活荷载考虑设计使用年限分别为5年、50年和100年的调整系数γL，其取值分别为0.9、1.0和1.1。设计使用年限为5～100年之间的其他γL数值，采用线性内插的方法确定。当可变荷载服从极值型分布时，γL的计算表达式为：

式中：kQ为可变荷载设计基准期内最大值的平均值与标准值之比；δQ为可变荷载设计基准期最大值的变异系数。

对于核电站与核安全无关的结构，当结构设计使用年限为60年时，楼屋面活荷载调整系数γL取值为1.02，相当于将荷载规范中的活荷载标准值提高2%。

1.4 风压和雪压取值

风荷载和雪荷载的取值根据结构设计使用年限的不同，与其统计分析时采用的重现期R 相对应，即在设计基准期内发生的荷载超越设计值的概率一致的条件下，确定60年设计基准期下的风荷载和雪荷载的重现期也为60年。GB 50009—2012给出了非标准重现期（10年、50年及100年）风荷载和雪荷载的两种取值算法。

根据已知重现期（10、50及100年）的风荷载和雪荷载值，即可按照以下对数插值确定重现期为R的最大风压值和最大雪压值xR。

对未进行过风荷载和雪荷载统计的地区，可直接采用统计样本按公式（5）计算重现期R 下的最大雪压和最大风压值XR，式中u和α为分布的位置参数和尺度参数，具体计算按照GB 50009—2012规范E.3：

以漳州核电站AP1000核电机组为例，当地10年、50年及100年对应的风压分别为0.80、1.25、1.45kN／m2。根据第一种方法可以计算得到对应的重现期为60年的风压值为1.31kN／m2，相当于在50年重现期对应风压值的基础上乘以1.05，因此，在对核电站的非核部分的设计中，60年设计基准期的影响可以通过50年设计基准期的数值上乘以相应的系数来进行解决。

另外，雪荷载和风荷载类似，同样按照式（4）（5）计算确定，60年设计基准期的影响同样可以通过50年设计基准期的数值乘以相应的系数来进行解决。因漳州核电站地处福建省漳州市，并无雪荷载的统计数据，根据GB 50009—2012不考虑雪荷载。

1.5 荷载组合值系数

建筑结构荷载设计规范中是基于可靠度理论提出来的采用分项系数表达式的形式对结构进行设计的，设计使用年限提高到60年后，采用等超概率原则对50年基准期下的荷载统计参数进行修正，以使结构达到目标可靠指标。现行规范中认为恒载、抗力的统计特性与时间无关，仅可变荷载的统计参数与时间有关，因此，仅考虑可变荷载的分项系数的调整，进一步确定出组合值系数的调整。考虑结构偏安全设计，60年基准期下核电站非核部分建（构）筑物设计可变荷载分项系数取1.5，组合值系数取0.65［1］。

2 正常使用极限状态设计

正常使用极限状态是指结构或结构构件达到正常使用的某项规定限制或耐久性能的某种规定状态。当结构要达到正常使用的某项规定限制（变形、裂缝、舒适度等）要求进行设计时，应按不同的要求来选择荷载代表值。荷载有4种代表值，标准值、组合值、频遇值和准永久值。标准值是荷载的基本代表值，是结构在50年的设计基准期内，正常情况下可能出现的最大荷载值，其他代表值都是在标准值的基础上乘以相应系数后得出的。正常使用极限状态设计表达式为：

式中C为结构达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝等。

对于正常使用极限状态，是由标准值来控制的。标准值中的活荷载以及风、雪荷载等同样按照承载能力极限状态的设计使用年限γL来调整，因此，当设计使用年限为60年时，对于正常使用极限状态设计，主要建（构）筑物的荷载值同样按照活荷载标准值提高2%。

3 60年设计使用年限的地震作用分析

抗震规范确定的地震作用取值采用的统计时间参数与一般的建筑结构的设计使用年限一样，都是50年，即地震的超越概率是按照50年进行统计的，设计基准期内众值烈度超越概率为63.2%，设防烈度为10%，罕遇地震为2%～3%，但是现行的GB 50011—2010中并没有给出其他设计基准期内的地震参数的取值方法。

3.1 地震作用的确定

对于不同设计基准期的地震作用，根据年超越概率p（I＞iL），可以得到给定期限T 内发生大于某一烈度iL的超越概率p（I＞iL｜T）与年超越概率的关系见式（7）：

根据抗震规范中50年设计使用年限，50年基本烈度超越概率为10%。按照式（7）得出，年超越概率为0.002 1，重现期为475年。对于设计年限不为50年的结构，则具有相同概率保证的年超越概率为

为求出不同设计使用年限地震作用，可以得出地震烈度和地震加速度存在如下关系［2］：

式中：ω为烈度上限值，取12度；i0为地震烈度概率分布中值，对应超越概率为0.632，比设防烈度低1.55度，如设防烈度为7度时，i0为5.45；K为形状系数。对于形状系数的计算，可以根据基本烈度与众值烈度的值按式（10）进行推算。以漳州核电站为例，基本烈度为7 度，形状系数为8.333。另外，年超越概率与地震烈度存在如下关系［3］：

式中I0为50年基准期对应的基本烈度，如设防烈度为7度时，I0取7；根据式（8）求得年超越概率，按照式（11）即可得出不同设计年限的地震烈度I见表2。

表2 不同设计年限的地震烈度

从表2可知不同设计使用年限对应的基本烈度I，按照公式（9）即可确定不同设计年限的基本地震加速度见表3。

表3 不同设计年限的地震加速度

根据表3可知，60年设计使用年限和50年设计使用年限相比，地震加速度增加了大约8%。为了设计方便，60年设计使用年限的建筑物的抗震设计地震作用取值，用GB 50011－2010 规定的截面设计的地震作用值（重现期为50年）乘以比例系数γ1（γ1取1.1）。

另外，根据《建筑抗震设计手册》（第二版）中表1.2.7－4，60年设计使用年限的建筑物的抗震设计的地震作用取值，在GB 50011—2010 规定的截面设计的地震作用值（重现期为50年）上乘以比例系数γ1（γ1取1.1）；从结构安全角度出发，对于第三代核电机组，非核部分结构进行抗震设计时，常规岛主厂房按照50年设计使用年限计算得出作用值乘以1.2，其他附属建（构）筑物按照50年设计使用年限计算得出作用值乘以1.1。

3.2 地震计算分析

常规岛及附属建（构）筑物属于非核安全相关物项，因此抗震设计可按照GB 50011—2010 的相关要求进行抗震设计并采取相应的抗震构造措施，对于地震作用根据3.1节分析乘以相关的系数得出最后的计算结果。常规岛主厂房的抗震设防类别为重点设防类（简称乙类），需要在当地设防烈度的基础上提高一度采取抗震措施，其他附属建（构）筑物的抗震设防类别为标准设防类（简称丙类），按当地设防烈度采取抗震措施即可。另外，为了确保常规岛主厂房在地震时不对相邻的核安全相关物项造成影响，还需要保证其在安全停堆时地震不倒塌。

4 结论及建议

a.对于恒荷载以及吊车荷载其荷载，60年设计使用年限取值仍然采用50年设计基准期的荷载值，不再调整。

b.对于活荷载的取值，当结构设计使用年限为60年时，楼（屋）面活荷载调整系数γL取值为1.02，相当于将荷载规范中的活荷载标准值提高2%。

c.对于风、雪荷载取值，根据规范给定的公式计算得到对应的重现期为60年的风压值和雪压值。

d.对于荷载组合值系数的取值，60年使用年限下可变荷载分项系数取1.5，组合值系数取0.65。

e.对于正常使用极限状态设计，60年设计使用年限的主要建（构）筑物取值，同样将荷载规范GB 50011—2010中的活荷载标准值提高2%。

f.60年设计使用年限的建筑物的抗震设计的地震作用取值，用GB 50011—2010 规定的截面设计的地震作用值（重现期为50年）乘以比例不小于1.10的系数。

［1］王凯，吕令毅，周建章，等.60年基准期钢结构构件可靠度分析［J］.钢结构，2010，25（4）：33－36.

［2］毋剑平，白雪霜.不同设计使用年限下地震作用的确定方法［J］.工程抗震，2003，（2）：36－39.

［3］孙彬，牛荻涛，董振平.在役结构抗震评估地震作用取值研究［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学报），2003，35（4）：312－316.