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水工建筑物抗震设计

2020-04-09 21:01

为使水工建筑物在遭遇设计烈度地震时不发生严重破坏及防止导致次生灾害所进行的一种专项设计。它包含抗震计算(或抗震试验)和抗震结构与措施两项内容。其基本要求为:①结合抗震要求选择有利的工程地段和场地。②避免地基和邻近建筑物的岸坡失稳。③选择安全经济合理的抗震结构和抗震措施。④从抗震角度提出对施工质量的要求和措施。⑤考虑对水工建筑物受到震害后便于检修的措施,如重要水库宜设置泄水底孔、隧洞等,以保证必要时能适时降低库水位。

适用范围

中国SL 203—97《水工建筑物抗震设计规范》(以下简称《规范》)规定:设计烈度为Ⅵ度以下时,不进行水工建筑物的抗震设计;设计烈度为Ⅵ度时,不进行抗震计算(或抗震试验),对于1级水工建筑物应采取适当的抗震措施;设计烈度为Ⅶ度~Ⅸ度时,应按照本规范的规定进行抗震设计;设计烈度高于Ⅸ度的水工建筑物或高度超过250m的挡水建筑物,除进行抗震计算(或抗震试验)外,还要对其抗震安全性进行专门研究论证,报主管部门审查、批准。

基本依据

主要包括以下几个方面。

(1)工程场地设计地震烈度。是水工建筑物抗震设计依据的地震烈度。一般情况下,设计地震烈度采用按《中国地震烈度区划图(1990)》确定的基本烈度,规范规定:工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物,可根据其遭受强震影响的危害性,在基本烈度的基础上提高1度作为设计地震烈度。

(2)设计地震加速度代表值。一般情况下,设计地震加速度代表值可根据设计地震烈度选用,设计地震烈度为Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度时,对应的水平向设计地震加速度代表值为0.1g、0.2g、0.4g(g=9.81m/s2),竖向设计地震加速度代表值取水平向设计地震加速度代表值的2/3。规范规定:基本烈度为Ⅵ度及Ⅵ度以上地区,坝高超过200m或库容大于100亿m3的大型工程,以及基本烈度为Ⅶ度及Ⅶ度以上地区,坝高超过150m的大(1)型工程,应进行地震危险性分析,提供基岩峰值加速度超越概率成果。设计地震加速度代表值的概率水准,对壅水建筑物取基准期100年内超越概率P1%为0.02;对非壅水建筑物取基准期50年内超越概率P2%为0.05。

(3)工程场地地面或基岩设计地震加速度时程曲线。当采用动力分析法计算地震作用效应时,需要场地的地面或基岩设计地震加速度时程曲线,通常需要人工生成,其作法是:①在地震危险性分析的基础上,确定场地周围数百公里范围内各震源的设计震级,其中选震级最大的远震和近震各1个。②由震级、震中距(或断层距)用经验统计关系推求设计地震加速度最大值和卓越周期及持续时间。③收集较远和较近地震台站有代表性的实测地震加速度时程曲线,所谓有代表性,即最大加速度、卓越周期和持续时间和前述推求值比较接近。④以实测曲线为依据,按推求和实测的最大加速度及卓越周期比值调整为地面或基岩的设计地震加速度时程曲线。

抗震计算(或抗震试验)

抗震计算或抗震试验的目的在于确定地震荷载(地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力),以及在地震荷载和静荷载共同作用下建筑物所受的总外力和内部应力的代表值,再计算建筑物整体稳定和强度的可靠度。

(1)拟静力法。将重力、设计地震加速度与重力加速度的比值、给定的动态分布系数三者乘积作为地震惯性力的静力分析方法。其中动态分布系数是用动力分析法得出的且经过标准化了的沿建筑物高度加速度的分布图形(无量纲)。此法保留了静力法的形式,但容纳了动力分析法的内容,虽然不完全符合实际情况,但实践证明按拟静力法设计的水工建筑物,能经受设计地震烈度的考验,方法简便,故为包括中国在内的多数国家所采用。

(2)动力分析法。由于水工建筑物结构复杂,地基性质也极不均匀,一般均采用有限元计算模型。其动力方程为

式中,[M]、[C]、[K]分别为结构的整体质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;

、{Φ}分别为相对加速度、相对速度、相对位移列阵;

为地面运动加速度列阵;[G]为提供各结点地面运动加速度的传送矩阵。由于通常采用地震波从基底均匀输入,不考虑地基质量,因此, 地基质量对[M]无贡献。当考虑地震动水压力时,假定库水不可压缩,这时[M]中含有坝面结点的库水附加质量,库水附加质量可用简化公式计算,也可通过用影响矩阵与坝面几何形状矩阵的乘积来表示。

按对上式的不同求解方法,动力分析法又分为:①直接积分法。将地震地面运动加速度时程曲线输入上式,逐时段进行积分,求得各时刻的建筑物地震作用效应,时段应远小于体系自振周期和地震加速度卓越周期,常取0.01 s。因此计算工作量很大,但它可以计算非线性振动体系。②振型分解法。先求出建筑物的自振周期和振型,根据振型的正交性质,经过变换就可以独立求出每一阶振型的组合常数,再将各阶振型的地震作用效应视作平稳随机过程组合成总地震作用效应。利用单质点直接积分法求每一阶振型组合常数称为振型分解时域法;利用反应谱求每一阶振型组合常数称为振型分解反应谱法。振型分解法尤其是其中振型分解反应谱法为中国和许多国家所采用。

动力分析法可以在时间域上进行,也可以在频率域上进行,对于线弹性振动体系,两者是等价的,频域分析虽然不能应用于非线性振动体系,但对于线弹性振动体系,处理依赖于频率参数的建筑物及可压缩水相互作用以及随机振动问题等,更能显示其优越性。

(3)模型试验法。是利用大型振动台,直接在台面上制作建筑物(包括地基)的模型,然后将给定的地震波输入,量测其地震作用效应。此法灵活,成果可靠,但受设备限制,不能普遍采用。也可利用模型试验测定建筑物的自振周期和振型,再用振型分解法计算地震作用效应、方法简便、成果可靠,在中国应用较多。

抗震计算存在的主要问题如下。

(1)地震地面运动的随机性。地震动强度和频率具有明显的非平稳特性,非平稳随机抗震计算是水工建筑物抗震计算发展的趋势。

(2)地震波输入的不均匀性。假定建筑物地基的基底上受到加速度相同且无相位差的地震波作用是不符合实际情况的。

(3)阻尼机制的复杂性。阻尼大小对建筑物地震反应影响显著,阻尼除与材料性质有关外,还与震动强度和频率有关,具有非线性特征,在抗震计算中尚难全面考虑。

(4)人工边界散射波散射问题。已提出的成果有透射人工边界、旁轴近似人工边界、黏性阻尼人工边界等,采用不同的人工边界,计算成果差异明显。

(5)建筑物—地基—库水—水库淤沙相互作用问题。尚无简便有效的计算方法。

(6)结构体系的复杂性。如施工质量好坏、构件连接强弱、缝的存在等在计算中很难完全考虑。

抗震结构和抗震工程措施

不少震害现象很难通过抗震计算加以控制和解决,因此需要研究抗震结构和采用抗震工程措施不可少。

(1)土石坝。选用抗震性能好的土料,提高压实度,尽可能降低坝体浸润线,防渗体不宜用刚性材料,坝与岸坡、基岩或混凝土等刚性建筑物的连接部位需适当增厚。

(2)混凝土坝。坝体体形力求平顺,提高施工质量,减少裂缝,增加坝内孔口和廊道附近的钢筋,提高顶部混凝土标号,减轻顶部重量。支墩坝要加强侧向刚度,拱坝两岸岩体不宜太薄,岩性也不能相差过大,严格控制拱座与岩坡接触部位的施工质量。

(3)水闸。闸室布置力求匀称,选用刚度大、整体性好的结构型式,软基上水闸闸段分缝应设在闸墩上,选用能适应较大变形的止水形式和材料,降低工作桥高度,减轻顶部重量。

(4)地基。注意选择抗震性能好的地基和提高地基处理质量。对于岩基,采用灌浆方法增加整体性和刚度;对于软基,尽可能挖除可能液化的土层,不易挖除时,需采取人工加密、排水减压等措施。

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