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        第三代核電站非核部分60年設(shè)計使用年限荷載取值分析

        2015-11-28 08:03:00秦學(xué)東
        吉林電力 2015年6期
        關(guān)鍵詞:活荷載烈度標(biāo)準(zhǔn)值

        張 鑫,宿 檸,秦學(xué)東

        (中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司,長春 130021)

        我國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)計使用年限也需要達(dá)到60年。對于核安全相關(guān)的核電結(jié)構(gòu)設(shè)計,通常針對荷載取值,荷載組合以及地震可靠度等方面均有專門的規(guī)定;而對于與核安全無關(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,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)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。目前火電廠以及民用建筑設(shè)計規(guī)范中給出的荷載及作用取值均是以50年設(shè)計基準(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)計應(yīng)根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時出現(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,因此,對于第三代核電機(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

        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)計規(guī)范》第3.3.2條規(guī)定:對持久設(shè)計狀況、短暫設(shè)計狀況和地震設(shè)計狀況,當(dāng)用內(nèi)力的形式表達(dá)時,結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式:r0Sd≤Rd,式中:Sd為荷載組合效應(yīng)設(shè)計值;Rd為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值;r0為重要性系數(shù),對于不同安全等級的結(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)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》,對安全等級為一、二、三級或設(shè)計使用年限分別為100年及以上、50年、5年時,r0取值分別為r0≥1.1、r0≥1.0、r0≥0.9,大部分結(jié)構(gòu)規(guī)范遵循這個原則。對于核電站常規(guī)島,常規(guī)島廠房的倒塌會危及核島廠房結(jié)構(gòu),常規(guī)島主廠房的結(jié)構(gòu)安全等級宜為一級;根據(jù)DL 5457—2012《變電站建筑設(shè)計技術(shù)規(guī)定》的相關(guān)要求,500kV 配電裝置結(jié)構(gòu)其安全等級宜為一級;其他附屬建(構(gòu))筑物的安全等級按二級考慮。對于常規(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)計時,如果按照安全等級結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),取為1.0,如果按照設(shè)計使用年限60年,取r0>1.0。設(shè)計使用年限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)計不考慮r0,根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》采取抗震措施。

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

        1.2 荷載效應(yīng)設(shè)計值

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

        對于由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值Sd,應(yīng)按下式進(jìn)行計算:

        式中:γGj為第j個永久荷載分項(xiàng)系數(shù);γQi為第i個可變荷載分項(xiàng)系數(shù);γLi第i個可變荷載在考慮設(shè)計使用年限的調(diào)整系數(shù);SGjk為第j個永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值;SQik為第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值;ΨCi為第i個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)。

        對于由永久荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值,應(yīng)按下式進(jìn)行計算:

        按照式(1)(2),結(jié)構(gòu)設(shè)計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,對于恒荷載以及吊車荷載顯然與設(shè)計使用年限無太大關(guān)系,其荷載取值仍采用原有的荷載標(biāo)準(zhǔn)值。對于活荷載、風(fēng)荷載和雪荷載,均與荷載統(tǒng)計所采用的設(shè)計基準(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,γL的計算表達(dá)式為:

        式中:kQ為可變荷載設(shè)計基準(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)計基準(zhǔn)期最大值的變異系數(shù)。

        對于核電站與核安全無關(guān)的結(jié)構(gòu),當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為60年時,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)計使用年限的不同,與其統(tǒng)計分析時采用的重現(xiàn)期R 相對應(yīng),即在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)發(fā)生的荷載超越設(shè)計值的概率一致的條件下,確定60年設(shè)計基準(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。

        對未進(jìn)行過風(fēng)荷載和雪荷載統(tǒng)計的地區(qū),可直接采用統(tǒng)計樣本按公式(5)計算重現(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)第一種方法可以計算得到對應(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)期對應(yīng)風(fēng)壓值的基礎(chǔ)上乘以1.05,因此,在對核電站的非核部分的設(shè)計中,60年設(shè)計基準(zhǔn)期的影響可以通過50年設(shè)計基準(zhǔn)期的數(shù)值上乘以相應(yīng)的系數(shù)來進(jìn)行解決。

        另外,雪荷載和風(fēng)荷載類似,同樣按照式(4)(5)計算確定,60年設(shè)計基準(zhǔn)期的影響同樣可以通過50年設(shè)計基準(zhǔn)期的數(shù)值乘以相應(yīng)的系數(shù)來進(jìn)行解決。因漳州核電站地處福建省漳州市,并無雪荷載的統(tǒng)計數(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)計規(guī)范中是基于可靠度理論提出來的采用分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式的形式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的,設(shè)計使用年限提高到60年后,采用等超概率原則對50年基準(zhǔn)期下的荷載統(tǒng)計參數(shù)進(jìn)行修正,以使結(jié)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)可靠指標(biāo)。現(xiàn)行規(guī)范中認(rèn)為恒載、抗力的統(tǒng)計特性與時間無關(guān),僅可變荷載的統(tǒng)計參數(shù)與時間有關(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,60年基準(zhǔn)期下核電站非核部分建(構(gòu))筑物設(shè)計可變荷載分項(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

        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)計時,應(yīng)按不同的要求來選擇荷載代表值。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。

        對于正常使用極限狀態(tài),是由標(biāo)準(zhǔn)值來控制的。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)計使用年限γL來調(diào)整,因此,當(dāng)設(shè)計使用年限為60年時,對于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計,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)計時間參數(shù)與一般的建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限一樣,都是50年,即地震的超越概率是按照50年進(jìn)行統(tǒng)計的,設(shè)計基準(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中并沒有給出其他設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的地震參數(shù)的取值方法。

        3.1 地震作用的確定

        對于不同設(shè)計基準(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。對于設(shè)計年限不為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,i0為5.45;K為形狀系數(shù)。對于形狀系數(shù)的計算,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)期對應(yīng)的基本烈度,如設(shè)防烈度為7度時,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)計年限的地震烈度I見表2。

        表2 不同設(shè)計年限的地震烈度

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

        表3 不同設(shè)計年限的地震加速度

        根據(jù)表3可知,60年設(shè)計使用年限和50年設(shè)計使用年限相比,地震加速度增加了大約8%。為了設(shè)計方便,60年設(shè)計使用年限的建筑物的抗震設(shè)計地震作用取值,用GB 50011-2010 規(guī)定的截面設(shè)計的地震作用值(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)計手冊》(第二版)中表1.2.7-4,60年設(shè)計使用年限的建筑物的抗震設(shè)計的地震作用取值,在GB 50011—2010 規(guī)定的截面設(shè)計的地震作用值(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)計時,常規(guī)島主廠房按照50年設(shè)計使用年限計算得出作用值乘以1.2,其他附屬建(構(gòu))筑物按照50年設(shè)計使用年限計算得出作用值乘以1.1。

        3.2 地震計算分析

        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)計可按照GB 50011—2010 的相關(guān)要求進(jìn)行抗震設(shè)計并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施,對于地震作用根據(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)島主廠房在地震時不對相鄰的核安全相關(guān)物項(xiàng)造成影響,還需要保證其在安全停堆時地震不倒塌。

        4 結(jié)論及建議

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

        b.對于活荷載的取值,當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為60年時,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.對于風(fēng)、雪荷載取值,根據(jù)規(guī)范給定的公式計算得到對應(yīng)的重現(xiàn)期為60年的風(fēng)壓值和雪壓值。

        d.對于荷載組合值系數(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.對于正常使用極限狀態(tài)設(shè)計,60年設(shè)計使用年限的主要建(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)計使用年限的建筑物的抗震設(shè)計的地震作用取值,用GB 50011—2010 規(guī)定的截面設(shè)計的地震作用值(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)抗震評估地震作用取值研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)報),2003,35(4):312-316.

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