提高变电站建（构）筑物使用寿命措施

徐皇冈

（国核电力规划设计研究院，北京 100095）

目前，我国不少已建变电站运行二三十年后，建（构）筑物就出现诸如裂缝、风化、腐蚀等问题，被迫花费大量资金进行维修、加固直至拆除重建，严重影响变电站的正常运行。在我国经济高速发展的今天，变电站建（构）筑物使用寿命短的问题，在某种程度上严重制约了当地的经济发展。

为满足经济发展带来的电力需求，提高电网建设工程质量和社会效益，建设世界一流电网，国家电网基建[2011]1515号《国家电网公司关于进一步提高工程建设安全质量和工艺水平的决定》（以下简称《决定》）明确提出：“新设计建设的输变电工程建（构）筑物使用寿命达到60 a以上。”

提高变电站建（构）筑物的使用寿命对整个电网有着非常重要的意义。变电站建（构）筑物作为变电站安全可靠运行的基础设施，提高变电站建（构）筑物的使用寿命，就是提高电网设计、建造、运行、维护的水平，就是提高变电站和全网运行的可靠性和经济性，就是降低社会资源的消耗、提升社会综合效益。从国家发展的大局来看，这一课题也符合可持续发展战略的需要。

1 使用寿命概述

1.1 使用寿命的涵义

建（构）筑物的使用寿命可分为自然寿命和无形寿命。自然寿命（或称物理寿命）是结构在正常使用及正常维护的情况下，仍具有其预定使用功能的时间。无形寿命是结构在尚未达到其自然寿命之前，由于种种原因，终止了其原有使用功能的时间[1-2]。

与使用功能及管理等密切相关的使用寿命应涉及到技术、功能和经济等方面，因而建（构）筑物的使用寿命主要可划分为3类，即：

1）技术性使用寿命。是结构使用到某种技术指标（如结构整体性、承载力、变形、裂缝等）进入不合格状态时的期限，这种状态可因混凝土剥落、钢筋锈蚀引起。

2）功能性使用寿命。与使用功能有关，是结构使用到不再满足功能实用要求的期限。如社会经济的发展使桥梁的行车能力不能适应新的需求，结构的功能用途发生改变等;有时甚至可能是美观性的功能要求，如结构因外观陈旧达到了不能接受的程度等。

3）经济性使用寿命。指结构使用到继续维修和保留已不如拆除或更换更为经济时的期限[3]。

1.2 设计使用年限与使用寿命

设计使用年限是指在设计时选定的一个时期，在这一规定的时期内，建（构）筑物只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用，完成预定的功能，即建（构）筑物在正常设计、正常施工、正常使用和维护下达到的使用年限，如达不到这个年限意味着在设计、施工、使用与维护的某一环节上出现了非正常情况，应查找原因[4-5]。

我国国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068-2001）第1.0.5条提出：结构的设计使用年限应按表1采用。

表1 结构设计使用年限分类Tab.1 Classification of structure design working life

在国外的标准规范中，英国建筑物的设计使用年限分为临时（10 a以下），短寿命（不小于20 a），中寿命（不小于30 a），正常寿命（不小于60 a）和长寿命（不小于120 a）等5类，并可按要求确定专门的期限如70 a或其他，并不像我国所规定的那么强制和固定[6]。日本建筑学会规范明确规定建筑物的设计使用年限分为3个等级：

1）长期等级，规定不需大修的年限约100 a。

2）标准等级，指多数房屋建筑物，规定不需大修的年限约65 a，使用年限100 a。

3）一般等级的低层私人住宅，规定不需大修的年限约30 a，使用年限65 a[7]。

根据《变电站建筑结构设计技术规定》（DL/T 5457-2012）第8.1.1条规定：变电架构及设备支架的最低设计使用年限如表2所示。

从表1、表2可以看出，我国变电站建（构）筑物的设计使用年限一般不超过50 a，而《决定》中明确要求新设计建设的输变电工程建（构）筑物使用寿命达到60 a以上，但需要指出的是，设计使用年限不等同于使用寿命。中国建筑科学研究院总工程师赵基达曾说过：我国的一般性建筑设计使用年限为50 a，这50 a是我们希望建筑能够使用的50 a，过了50 a仍然能继续使用，可以通过采取一些措施延长建筑使用寿命，达到百年建筑的目标。

表2 变电架构及设备支架的最低设计使用年限Tab.2 The minimum design working life of substation frame and equipment support a

我国已有的一些一般性建筑，设计使用年限为50 a，但使用不到50 a就已老化严重，这是因为过去的设计标准、建筑材料和施工质量比较低，结构及构件的耐久性差，导致建筑的使用寿命达不到50 a及以上的标准要求。此外，不正常的运行维护、不合理的规划导致的拆迁、地震、火灾及爆炸事故等，均有可能导致建筑的使用寿命缩短。

因此，建（构）筑物的设计使用年限不等于使用寿命，可以通过提高建（构）筑物的可靠性和耐久性，延长建（构）筑物的使用寿命。

2 提高建（构）筑物使用年限措施

根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068-2001）第1.0.7条，结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：

1）在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用。

2）在正常使用时具有良好的工作性能。

3）在正常维护下具有足够的耐久性能。

4）在设计规定的偶然事件发生及发生后，仍能保持必需的整体稳定性[4]。

简而言之，即结构在规定的设计使用年限内应满足结构可靠性的要求。结合建（构）筑物使用寿命的涵义，变电站建（构）筑物设计中可按“可靠性、耐久性、经济性协调统一”的总体原则，采取提高建（构）筑物使用寿命的措施。

2.1 提高建（构）筑物结构可靠性

结构可靠度是指结构在规定的时间内，在规定条件下，完成预定功能的能力。结构可靠度采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定。我国建筑结构设计领域采用的是以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。

2.1.1 设计基准期

设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，是在对可变作用效应进行概率模型转换时所采用的一个参考时间坐标，本质上属于可靠性分析范畴的一个时间概念[8]。

我国荷载规范考虑的荷载统计参数，都是按设计基准期为50年确定的，如设计时需采用其他设计基准期，则必须另行确定在设计基准期内最大荷载的概率分布及相应的统计参数。

2.1.2 设计使用年限调整系数γL

设计基准期不同于设计使用年限。我国建（构）筑物的设计使用年限一般为50 a，与其对应的各类活荷载设计代表值的设计基准期为50 a。由于结构上的各种可变作用均是根据设计基准期确定其标准值，当结构的设计使用年限与设计基准期不同时，应通过结构设计使用年限调整系数对可变作用的标准值进行调整。不同的设计使用年限，不同的设计基准期，应取不同的可变荷载标准值[9]。

我国《工程结构可靠性设计统一标准》（GB 50153-2008）中引入了结构使用年限的可变荷载调整系数，考虑可变荷载调整系数的基本组合的效应设计值可按下式确定：

式中，γL1、γLj为第1个和第j个考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，对设计使用年限与设计基准期相同的结构，应取γL=1.0[10]。

当设计使用年限大于基准期时，除在荷载方面考虑γL外，在抗力方面也需采取相应措施，如采用较高的混凝土强度等级、加大混凝土保护层厚度或对钢筋作涂层处理等，使结构在更长的时间内不致因材料劣化而降低可靠度。

2.1.3 设计使用年限调整系数γL取值

《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）附录A提出了房屋建筑考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，如下表3所示。

表3 建筑考虑结构设计使用年限的荷载调整系数Tab.3 The load adjustment factor of building with the design working life considered

《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）首次引入了可变荷载考虑设计使用年限的调整系数，目的是为解决设计使用年限与与设计基准期不同时对可变荷载标准值的调整问题。

可变荷载调整系数可以通过2种方法确定：

1）使结构在设计使用年限内的可靠指标与设计基准期的可靠指标相同。

2）使可变荷载按设计使用年限定义的标准值与按设计基准期（50 a）定义的标准值具有相同的概率分位值。按第二种方法进行计算比较简单，当可变荷载服从极值Ⅰ型分布时，调整系数可由式（2）确定：

式中，xQ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[11]。

对不同的荷载作用类型和设计使用年限TL，由式（2）计算可得相应的调整系数γL，计算结果见表4。表4中所列以外的其他设计使用年限对应的调整系数，可按线性内插计算确定。

表4 考虑设计使用年限的可变荷载调整系数计算值Tab.4 The calculated value of variable load adjustment factor for building with the design working life considered

考虑到桥梁、隧道、电力等生命线工程进行修理、拆除所带来的经济损失和干扰，国际上对基础设施工程的结构设计使用年限有进一步延长的趋势。同时，我国的混凝土原材料资源已面临短缺，需要避免大规模的频繁修理、拆除和重建。因此，为顺应《决定》要求，变电站建（构）筑物的设计使用年限可按60 a考虑，即在设计中考虑相应的可变荷载调整系数以提高建（构）筑物的结构可靠性。

2.2 提高建（构）筑物的耐久性能

2.2.1 耐久性定义及影响因素

耐久性是指材料抵抗自身及自然环境双重因素长期破坏作用的能力。

变电站建（构）筑物的主要材料有钢结构和混凝土结构。钢结构的耐久性影响因素主要是防护隔热问题；混凝土结构的耐久性影响因素主要有外部因素（冻融、裂缝、氯离子）和内部因素（碱-骨料反应、抗冻性、体积稳定性、钢筋锈蚀、施工因素和养护因素）。

2.2.2 混凝土结构新规范对耐久性修订

混凝土结构的耐久性设计是混凝土结构设计的重要内容。国内外大量的工程实例表明，许多混凝土结构在远未达到设计使用年限时，就出现了整体或局部达到耐久性极限状态的情况，导致结构自身的适用性和安全能力降低[12]。耐久性问题一旦暴露往往已为时过晚，就得被迫花费大量资金进行维修、加固直至拆除重建，严重影响工程的正常运行，缩短了工程的使用寿命[13-14]。

随着耐久性问题的凸出，国际上一些混凝土结构设计规范均不断地修改混凝土的最低强度等级、最大水胶比和最小保护层厚度的限制并增添新的要求[15]。我国《混凝土结构设计规范》（GB 50011-2010）也对耐久性设计的相关内容进行了修订，具体如下：

1）在环境类别中引入了三a、三b，环境类别更加细化。

2）对不同环境类别中结构混凝土材料的最低要求更加严格，如最大水胶比、最低混凝土强度、最大氯离子含量。

3）对处于三类环境中混凝土结构构件，明确提出可采用阻锈剂、环氧树脂涂层钢筋或其他具有耐腐蚀性性能的钢筋、采取阴极保护措施等等。

4）修正了混凝土保护层的最小厚度。混凝土保护层的最小厚度从受力纵筋改为最外层钢筋外边缘至混凝土外表面的距离，钢筋的保护层更加严格和合理[16]。

2.2.3 提高建（构）筑物耐久性的措施

为了满足经济高速发展和可持续发展的需要，必须提高混凝土结构的耐久性，从而提高建（构）筑物的社会经济效益。

在实际工程中，可考虑采取如下措施提高变电站建（构）筑物的耐久性：

1）在冻融环境中采用掺加引气剂的混凝土，大量研究已经表明引气剂能显著改善混凝土的抗冻性能。

2）提高混凝土强度等级和混凝土保护层厚度，这一措施在氯盐环境（如盐渍土、除冰盐、海水环境）中的作用效果更加显著。

3）使用高性能混凝土如纤维混凝土，提高混凝土的强度和抗裂性能。

4）基础混凝土中加入阻锈剂，采用不含或低含量氯离子的水泥。

5）在与有水环境接触的混凝土中掺加抗渗剂。

6）采用环氧树脂涂层钢筋或GFRP（玻璃纤维增强树脂复合材料）替代传统的钢筋。GFRP具有强度高、耐腐蚀的特点，在强腐蚀环境中有很大的应用优势。

7）加强混凝土的振捣及养护。振捣和养护不足直接损伤了表层混凝土的密实性与强度。

8）基础外表面外刷环氧沥青或其余优质的防腐材料防腐。

9）屋面防水采用优质的防水卷材并定期进行维护更换；采用补偿收缩混凝土防水层代替普通防水保护层。

11）墙体采用新型自保温砌块，墙面粉刷中采用钢丝网并加入抗裂纤维。

12）钢架构设计中，采用锌盾冷喷锌技术镀锌，对镀锌涂层的厚度提出更严格的要求并要求进行定期维护。

2.3 提高建（构）筑物抵抗偶然事件发生整体稳定性

根据近年来地震中积累的经验教训及最新试验研究成果，我国对《建筑抗震设计规范》进行了全面修订，相对于旧版规范，新规范提出了不少新要求或改进措施。例如：新增了对楼梯间的抗震计算要求；基本抗震缝宽度由原来的70 mm改为100 mm（当高度不超过15 m时）；降低了现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级表中的建筑高度；调整了部分城市的地震设防烈度和设计基本地震加速度；抗震构造措施更加严格等等。

众所周知，电力系统的安全直接关系着国家的生产建设和人民的生活秩序，在现代社会生命线系统中占有重要的地位。地震对电力系统造成的破坏是灾难性的，不仅严重影响正常的生产生活和抗震救灾工作，而且高昂的设备维修、重建费用以及停电造成的巨额损失，都将对国家和人民的生命财产造成巨大的损失[17]。2008年发生的5·12汶川大地震就对四川电力系统带来了灾难性的打击，其中地震造成5座500 kV变电站、13座220 kV变电站和2座220 kV用户站停运[18]。因此，提高变电站建（构）筑物的抗震性能意义重大。

根据《决定》要求，设计可按设计使用年限60 a考虑，通过提高结构的抗震作用和加强抗震构造措施，从而提高变电站建（构）筑物的抗震性能。设计中可采取如下措施：

1）提高建（构）筑物结构的抗震作用。根据已有的研究成果[19]，设计使用年限与地震作用的调整系数之间的关系如下表5所示。

表5 不同设计使用年限对应的地震作用修正系数Tab.5 The seismic correction factor corresponding to the different design working life

2）加强结构的抗震构造措施。根据已有的研究成果[19]，设计使用年限与地震构造措施的调整系数之间的关系，如下表6所示。

表6 不同设计使用年限对应的地震构造措施调整系数Tab.6 The correction factor of the seismic structure measures corresponding to the different design working life

同时，火灾也是变电工程设计中必须认真考虑的一个偶然因素，在建（构）筑物的设计中应遵循国家相关的规程规范，做好火灾防护设计工作，比如防火门、消防灭火器、消防栓、消防报警器、自动报警装置等的设置和应用等，争取在发生火灾时有可靠的应对措施，降低火灾带来的结构损伤。

2.4 提高建（构）筑物的经济性

建（构）筑物的投入远不止于一次建造的支出，还应包括横亘于整个寿命周期内的各项支出，包括使用期间运行费用、维修费用、更换及改造费用等，这就是经济学家所称的“全寿命周期成本”[20]。

美国ISO标准（Standard 15686）对“全寿命经济分析（LCCA）”给出的定义是:“它是工程项目费用的评估方法，旨在优选、对比实现寿命目标的不同措施，即包括初建成本也包括之后的一切运行、维护费用”。LCCA法既是政府法令，又是工程投资的评估、计算方法。设计、工程承包和投资方都要以“全寿命”为出发点，为保证规定的工程使用年限，采取技术、经济合理的战略措施。我国基础设施建设正处于高潮时期，国家必然将相当数量的资源放在基础设施的建设和维护上。因此，工程结构实行全寿命周期设计将产生巨大的社会、经济价值，其意义也更为深远[3]。

设计人员应以实现全寿命周期成本最优为目标，充分考虑到全寿命周期中各阶段的投入及其在全寿命费用中的比重，运用加权平均法综合平衡一次造价的关系，寻求一次造价与后期投入二者之间的最佳结合点，改变割裂二者关系、片面追求一次投资最低的做法，从整体上降低全寿命周期成本，使经济效益评价更为科学化[21]。

3 结语

本文根据使用寿命的涵义和“可靠性、耐久性、经济性协调统一”的总体原则，结合新理论、新材料、新技术及工程实践经验，在设计上提出了一些提高建（构）筑物的使用寿命的措施。对变电站建（构）筑物设计有一定的指导意义。

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