水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

□郝 領(lǐng)

（河南省水利勘測有限公司）

1 引言

水工建筑的構(gòu)造較為復(fù)雜且埋藏較深，同時許多建筑物所處的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，使其經(jīng)常會受到地下高水位、結(jié)構(gòu)張力大、強(qiáng)地震干擾、水力結(jié)構(gòu)不利等方面的影響，這在事實(shí)上為水工建筑物的設(shè)計(jì)工作造成了大量技術(shù)難點(diǎn)，對水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)水平提出了更高的要求。此外，地震不僅會對水工建筑物結(jié)構(gòu)造成損壞，同時還對下游人民群眾的人身安全、健康生活等方面都造成了潛在的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

在1990年之前我國的水利水電行業(yè)的建筑防震規(guī)范使用單一安全系數(shù)法。在1990年后由于國家有提升建筑抗震性能的需要，中國技術(shù)部門參考相關(guān)理論出臺《能源部門水力建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，在這一規(guī)范中將單一安全系數(shù)法更改為多要素安全系數(shù)法，從而為水工建筑物抗震設(shè)計(jì)提供了更多技術(shù)支持。但是由于水工建筑物的抗震設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)復(fù)雜性并且影響因素眾多，因此工程結(jié)構(gòu)無論使用單因素還是多因素方法的安全系數(shù)法，其最終計(jì)算結(jié)果都必須與國內(nèi)外的實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相匹配。在20世紀(jì)90年代初期，由于當(dāng)時有效設(shè)計(jì)樣本較少，一些工程科學(xué)家過分強(qiáng)調(diào)了可靠性理論在多要素安全系數(shù)法中的應(yīng)用，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中影響因素眾多，很難使用單一的可靠性理論直接準(zhǔn)確計(jì)算出水工建筑物的安全系數(shù)。在這一前提下，多要素安全系數(shù)法可充分考慮水工建筑物水位、荷載組合和材料特性等因素帶來的影響，從而為水工建筑物抗震設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。

2 水工建筑物抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 注重遵循水工抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

我國現(xiàn)行的《水工抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》于1997 年修訂，這一修訂工作對于我國水工建筑抗震安全設(shè)計(jì)起到重要作用，有助于保持水工建筑工程的整體穩(wěn)定性，同時避免因工程損壞而引起二次災(zāi)害，有效滿足抗震設(shè)計(jì)要求。與此同時，自然災(zāi)害給水工結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)帶來許多新的影響和啟發(fā)，帶來更多創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。例如在發(fā)生自然災(zāi)害時，經(jīng)過預(yù)應(yīng)力錨固處理的基臺巖體能夠基本保持穩(wěn)定，而未經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨固處理的水工建筑物無法保持穩(wěn)定性，工程強(qiáng)度出現(xiàn)顯著下降。

2.2 自然災(zāi)害對抗震結(jié)構(gòu)要求

大量工程實(shí)踐證明，對于工程項(xiàng)目組而言工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是必不可少的，因此在地震應(yīng)急預(yù)案中設(shè)計(jì)人員必須保證抗震結(jié)構(gòu)的可靠性。此外，水利工程中的建筑物多處在氣候情況多變、天氣情況復(fù)雜和水文地質(zhì)條件干擾性強(qiáng)的地方，在這種情況下進(jìn)行施工和運(yùn)行往往會造成很多額外的困難，而水工建筑本身也會受到水的推力、浮力、滲透力、沖刷力等的作用，這使得其運(yùn)行環(huán)境相比其他建筑的運(yùn)行環(huán)境更為復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)人員必須考慮到潛在的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，才能夠有效提升抗震結(jié)構(gòu)等級，避免建筑在遇到自然災(zāi)害后產(chǎn)生次生災(zāi)害。

2.3 自然災(zāi)害對綜合性設(shè)計(jì)的要求

2008年汶川大地震的地震能量的釋放在時間和空間上都非常不均勻。因此，為了讓水工建筑物可以應(yīng)對這一級別的自然災(zāi)害，設(shè)計(jì)人員在防震計(jì)算分析中必須考慮到每個水工建筑物的實(shí)際地形和地質(zhì)條件影響，考慮到不同區(qū)域的水力結(jié)構(gòu)很少相同，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時需充分考慮到不同建筑物間的實(shí)際差別，并以此為基礎(chǔ)調(diào)整工程設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，由于許多地面運(yùn)動難以提前計(jì)算，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對地震斷層附近地面運(yùn)動特性的研究工作，并在設(shè)計(jì)時更加充分的考慮到地震斷層、全斷層面破裂速度、破裂方式、破裂方向等因素的影響，并將這些因素結(jié)合起來進(jìn)行綜合研究，以達(dá)到滿足抵抗自然災(zāi)害的基本設(shè)計(jì)要求。

3 水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

3.1 合理確定抗震水準(zhǔn)框架

設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)首先確定框架的使用需要，通常來說國外水工建筑物的抗震水準(zhǔn)框架是根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)中的地震動參數(shù)概念，最大設(shè)計(jì)地震（MDE）和基準(zhǔn)地震（OBE）的兩個參數(shù)，以及水工建筑物的地震要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)。大量國內(nèi)外水工建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，重復(fù)周期為100-200 a的OBE通常在設(shè)計(jì)中無法發(fā)揮良好控制作用。因此，設(shè)計(jì)人員在合理確定抗震水準(zhǔn)框架時，應(yīng)當(dāng)明確防震性能定位，以使水工建筑能夠在遭遇到局部地震破壞后可以進(jìn)行修復(fù)。而對于需要抗震保護(hù)的大型水工建筑物，設(shè)計(jì)人員必須進(jìn)行特殊的地震安全框架設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)需保證水工建筑物在遭受極端地震破壞時，能夠保證該水工建筑物避免遭受毀滅性破壞，從而保證人類財(cái)產(chǎn)與生命的安全，降低二次災(zāi)害出現(xiàn)的可能性，這就需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行大量模擬實(shí)驗(yàn)，以確保該抗震標(biāo)準(zhǔn)的絕對安全性。

3.2 精確測定水工建筑抗震數(shù)值

地面運(yùn)動的最大加速度Amax是建筑物抗震設(shè)計(jì)時的基礎(chǔ)輸入最大加速度，其單位為重力加速度g（9.81 m/s2）或Gal（gal=10 mm/s2）。在這一前提下考慮到水工建筑是用特定材料來構(gòu)建設(shè)計(jì)一個用于調(diào)控水流和配置水資源的建筑，因此其目標(biāo)應(yīng)該是選用合適的材料，采用合適的構(gòu)建方法，保障建筑空間在可知及可預(yù)測的荷載作用下，其完整性受到破壞的概率低于一個可以接受的概率底線。這意味著水工建筑的抗震設(shè)計(jì)人員還難以從理論上對其做出總結(jié)和歸納。此外，當(dāng)水工建筑物遇到罕見的強(qiáng)烈地震時，地震噪聲對水工建筑的平穩(wěn)性產(chǎn)生影響。如果水工建筑的位置距離地震不到10 km 且地震烈度＞7 級，則設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)研究近場大震中的發(fā)震斷層破裂過程，從而針對性的提升水工建筑的抗震數(shù)值水平。

3.3 提升水工建筑物剛度

在地震時水工建筑的結(jié)構(gòu)會因振動而出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，具體表現(xiàn)為水工建筑結(jié)構(gòu)的扭曲變形。考慮到在同等地震烈度下水工建筑的剛度越高其受到地震力也越小，所以水工建筑的設(shè)計(jì)人員需要合理減少水工建筑本身的結(jié)構(gòu)自重，從而節(jié)省建筑材料使用量，而且在增強(qiáng)建筑剛度的同時有利于水工建筑抗震，從而有效降低地震帶來的負(fù)面作用。

3.4 強(qiáng)化水工結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

強(qiáng)化水工結(jié)構(gòu)力學(xué)性能對于增強(qiáng)水工結(jié)構(gòu)的抗震能力有著很大的幫助。當(dāng)前的水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)往往采取靜態(tài)計(jì)算方法來進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，這很難反映地震作用下水工建筑物的實(shí)際動態(tài)振動和動態(tài)力學(xué)性能，也無法準(zhǔn)確計(jì)算水工建筑和地基上的動應(yīng)力。通常來說混凝土的動態(tài)抗拉強(qiáng)度等參數(shù)多是通過對模型（試樣）進(jìn)行全質(zhì)量彎曲試驗(yàn)而測得的。在這一前提下，設(shè)計(jì)人員為了強(qiáng)化水工結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，在對水工建筑的地震變形參數(shù)分析時，不僅需要進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算分析，還應(yīng)當(dāng)使用有限元方法執(zhí)行動態(tài)計(jì)算分析，以全面評估水工建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 結(jié)語

水工建筑物的張拉條件和邊界條件相當(dāng)復(fù)雜，考慮到地震的情況本身也非常復(fù)雜，水工構(gòu)造的設(shè)計(jì)人員首先需要嚴(yán)格根據(jù)《水力建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等設(shè)計(jì)規(guī)則來進(jìn)行設(shè)計(jì)，這有助于確保水工建筑物本身優(yōu)秀的抗震能力。除此之外，考慮到水工建筑物使用的混凝土材料的動態(tài)性能，設(shè)計(jì)人員可以使用更合理的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)行為來創(chuàng)建合理的抗震水準(zhǔn)框架與抗震密封框架，在此基礎(chǔ)上顯著增強(qiáng)水工建筑物的整體抗震性能。