結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論研究在水工抗震方面的工程應(yīng)用

劉玉 劉俊

摘要：本文通過對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本任務(wù)和研究方法的介紹和其在水工抗震方面的實(shí)際工程應(yīng)用舉例，來說明結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的理論研究在實(shí)際水工抗震方面有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和意義。隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的深入，相信會(huì)為實(shí)際工程起到更為重要的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)；地震；水工抗震；工程應(yīng)用

正文：

一、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的基本內(nèi)容及研究方法

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的任務(wù)是在動(dòng)力荷載作用下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下表現(xiàn)出的各種各樣的物理現(xiàn)象，而且要揭示現(xiàn)象背后的物理實(shí)質(zhì)和內(nèi)部規(guī)律。所謂動(dòng)力荷載，其特征是荷載的大小、方向和作用點(diǎn)隨時(shí)間而迅速變化，從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯而激烈的振動(dòng)，其位移與內(nèi)力均是時(shí)間的函數(shù)。在這種荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析問題，稱為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析?！?】對(duì)于工程實(shí)際結(jié)構(gòu)，無論是在設(shè)計(jì)還是在使用時(shí)，常常需要準(zhǔn)確而迅速地分析或預(yù)測它們的動(dòng)力特性，進(jìn)而保證工程實(shí)際結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)便是從一般性問題出發(fā)，從理論上研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的本質(zhì)問題。

二、水工抗震研究的意義

地震是一種自然現(xiàn)象，顧名思義就是大地發(fā)生振動(dòng)。發(fā)生地震時(shí)，地面上的建筑物由于基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)而引起強(qiáng)迫振動(dòng)。這種強(qiáng)迫振動(dòng)，一方面決定于地面運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，另一方面也決定于建筑物本身固有的動(dòng)力學(xué)特征。地震引起建筑物強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，可以用荷載、內(nèi)力、變形或者能量等力學(xué)量來度量，而一般工程上較多以地震作用來度量。地震作用是指地震時(shí)建筑物本身具有的慣性力。在設(shè)計(jì)時(shí)，它能夠反映地震影響的等效荷載，要求根據(jù)它設(shè)計(jì)出來的建筑物能夠抵抗相應(yīng)的地震?！?】

水利工程是為興水利、除水害而修建的工程。水利工程中采用的各種建筑物統(tǒng)稱為水工建筑物，如水壩、大堤、水閘等?！?】大型水工建筑物遭受地震作用，一旦毀壞，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害，給人民財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失，因此被列為社會(huì)生命線工程予以特別重視。我國大陸位于世界兩大地震活動(dòng)帶之間， 是一個(gè)多地震國家， 是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家。因此，了解地震災(zāi)害的作用機(jī)理，對(duì)水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的抗震研究具有極其重要的意義和價(jià)值。

三、工程實(shí)際應(yīng)用舉例

（1）壩體-庫水-基礎(chǔ)系統(tǒng)動(dòng)力數(shù)值模型研究

壩體-庫水-基礎(chǔ)系統(tǒng)動(dòng)力數(shù)值模型研究是拱壩抗震安全性評(píng)價(jià)中的一項(xiàng)主要內(nèi)容?？梢苑譃閮纱蟛糠謨?nèi)容：設(shè)計(jì)地震荷載作用下大壩動(dòng)力響應(yīng)分析和地震超載下系統(tǒng)整體安全性及失穩(wěn)模擬分析。該模型運(yùn)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中建立模型和數(shù)值分析的方法對(duì)高地震烈度區(qū)高拱壩抗震設(shè)計(jì)的安全性評(píng)價(jià)提供了一種有效可行的方法指標(biāo)。第一部分通過將壩體及地基作為一個(gè)體系，可以充分考慮壩體、地基和庫水的動(dòng)力相互作用，并計(jì)入地基輻射阻尼、壩體橫縫在強(qiáng)震中開合非線性、地震非均勻輸入、地基非均勻性及主要結(jié)構(gòu)面等因素影響，對(duì)大壩混凝土及地基材料的動(dòng)力特性也可進(jìn)行考慮。第二部分還處于探索研究階段。地震荷載是一種不確定性很大的荷載，因此，應(yīng)分析超設(shè)計(jì)地震烈度下拱壩的反應(yīng)，探求大壩地震極限承載能力，評(píng)判大壩地震安全儲(chǔ)備；對(duì)地震破壞過程的模擬研究，可以探求拱壩抗震的薄弱環(huán)節(jié)，確定抗震加固措施。采用壩體-庫水-基礎(chǔ)系統(tǒng)動(dòng)力數(shù)值模型研究該問題，可以克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)大壩和壩肩安全性分別單獨(dú)進(jìn)行評(píng)判忽略其耦合作用的缺點(diǎn)，將壩體和壩肩安全性統(tǒng)一為一個(gè)系數(shù)。【5】

（2）水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究

在水利水電工程中，為達(dá)到發(fā)電、供水、泄洪等綜合利用目的，往往需要在水位變幅很大的供水和泄水系統(tǒng)的首部設(shè)置進(jìn)水塔，水電站泄洪洞進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)除了要承受靜荷載作用，還會(huì)受到動(dòng)水、地震等動(dòng)荷載的影響。傳統(tǒng)的進(jìn)水塔抗震措施主要利用主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服后的塑性變形能和滯回耗能來耗散地震能量，這使得這些區(qū)域的耗能性能變得特別重要，而一旦由于某些因素導(dǎo)致這些區(qū)域產(chǎn)生問題，將嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)的抗震性能，產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，由于破壞部位位于主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其修復(fù)是很難進(jìn)行的。因此分析震動(dòng)產(chǎn)生的根源，通過在不同階段采取震動(dòng)方法控制措施，就成為不同的積極抗震方法。首先從震源上消震，通過減弱震源震動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到減小結(jié)構(gòu)震動(dòng)，由于地震源難以確定，且其規(guī)模宏大，目前還沒有有效可行的措施；其次從傳播途徑上隔震，通過某種裝置將地震與結(jié)構(gòu)隔開，其作用是減弱和改變地震時(shí)結(jié)構(gòu)作用的強(qiáng)度和方式，以此達(dá)到減少結(jié)構(gòu)震動(dòng)的目的；再次從結(jié)構(gòu)上被動(dòng)減震，通過采取一定的措施或附加子結(jié)構(gòu)吸收和消耗地震傳遞給主結(jié)構(gòu)的能量，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)震動(dòng)的目的。

（3）雙江口心墻堆石壩振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究

地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)的基本原理是將結(jié)構(gòu)模型放在一個(gè)剛性平臺(tái)上，然后給此剛性平臺(tái)施加已知地震運(yùn)動(dòng)，這樣就可以在整個(gè)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生所需的慣性力，測量結(jié)構(gòu)模型在慣性力作用下的響應(yīng)，用于研究結(jié)構(gòu)抗震性能。地震模擬振動(dòng)臺(tái)可以很好地再現(xiàn)地震過程和進(jìn)行大量人工地震波的試驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、地震反應(yīng)規(guī)律和破壞機(jī)理，測試設(shè)備抗震性能，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)抗震措施效果等?！?】

目前我國土石壩的設(shè)計(jì)還很大程度上以工程類比及工程師們的經(jīng)驗(yàn)判斷為基礎(chǔ)。隨著西部水電資源的開發(fā)，許多高土石壩位于高烈度強(qiáng)震區(qū)，抗震問題突出。由于經(jīng)歷過較大地震考驗(yàn)的高土石壩還比較少，缺乏高土石壩抗震設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，也很難依靠有限的震害資料對(duì)高土石壩地震動(dòng)力反應(yīng)分析方法和計(jì)算程序進(jìn)行有效的驗(yàn)證。土石壩振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是研究土石壩地震反應(yīng)性狀和震害機(jī)理的重要手段。

雙江口心墻堆石壩最大壩高314米，壩址區(qū)地震基本烈度為7度，100年超越概率2%的基巖地震動(dòng)峰值加速度為0.205g，一般場地條件下地震烈度為8度。通過振動(dòng)臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)，得到了雙江口心墻堆石壩的自振頻率，阻尼比和振型等動(dòng)力特性參數(shù)，研究了壩體地震動(dòng)加速度反應(yīng)和殘余變形分布等分布規(guī)律，這些成果可供大壩抗震設(shè)計(jì)參考使用，對(duì)其他工程亦有一定的參考價(jià)值，也是驗(yàn)證和改進(jìn)地震動(dòng)力反應(yīng)方法和計(jì)算程序的基本資料?！?】

四、總結(jié)

本文闡述了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的基本任務(wù)、方法和地震相關(guān)概念，并以壩體-庫水-基礎(chǔ)系統(tǒng)動(dòng)力數(shù)值模型研究、水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究、雙江口心墻堆石壩振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究為例，說明了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究在水工抗震方面的一些具體工程應(yīng)用。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是一門十分有用的學(xué)科，相信隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展和理論研究的深入，它在水工抗震方面的工程應(yīng)用必將會(huì)越來越廣泛，越來越成熟！

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