水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

劉明君

摘要：面對(duì)強(qiáng)震、大斷層等惡劣環(huán)境的控制，受高地下水位、高構(gòu)造應(yīng)力的影響，水工建筑物設(shè)計(jì)中存在著許多技術(shù)問題。如果問題得不到及時(shí)解決，將直接影響工程的后期建設(shè)。文章針對(duì)水工建筑物的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了可靠的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：水工建筑物;抗震設(shè)計(jì);思考

導(dǎo)言：水工建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，埋藏深。同時(shí)，許多建筑物的地質(zhì)條件復(fù)雜，往往受到地下水位高、結(jié)構(gòu)張力大、地震干擾強(qiáng)、水工建筑物不利等因素的影響。事實(shí)上，這給水工建筑物的設(shè)計(jì)帶來了很多技術(shù)難題，對(duì)水工建筑物設(shè)計(jì)的技術(shù)水平提出了更高的要求。此外，地震不僅會(huì)對(duì)水工建筑物的結(jié)構(gòu)造成破壞，還會(huì)對(duì)下游人民的人身安全和健康生活造成巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1990年以前，我國(guó)水利水電行業(yè)建筑抗震規(guī)范采用了單一安全系數(shù)法。1990年以后，為提高建筑抗震性能，我國(guó)技術(shù)部門參照有關(guān)理論，頒布了《能源水利建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。該規(guī)范將單因素安全系數(shù)法改為多因素安全系數(shù)法，為水工建筑物抗震設(shè)計(jì)提供了更多的技術(shù)支持。然而，由于水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的復(fù)雜性強(qiáng)，影響因素多，單因素或多因素安全系數(shù)法的最終計(jì)算結(jié)果必須與國(guó)內(nèi)外的實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相吻合。20世紀(jì)90年代初，由于當(dāng)時(shí)有效設(shè)計(jì)樣本較少，一些工程科學(xué)家過分強(qiáng)調(diào)可靠性理論在多因素安全系數(shù)法中的應(yīng)用。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，影響水工建筑物安全系數(shù)的因素很多，很難用單一的可靠度理論直接、準(zhǔn)確地計(jì)算水工建筑物的安全系數(shù)。在此前提下，多因素安全系數(shù)法能充分考慮水工建筑物的水位、荷載組合和材料特性的影響，為水工建筑物的抗震設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

1 水工建筑物抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1注重遵循水工抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

現(xiàn)行《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》于1997年修訂，對(duì)我國(guó)水工建筑物抗震安全設(shè)計(jì)起到了重要作用。它有助于保持水工建筑物的整體穩(wěn)定性，避免工程破壞引起的次生災(zāi)害，有效地滿足抗震設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)，自然災(zāi)害供水構(gòu)筑物的抗震設(shè)計(jì)帶來了許多新的影響和啟示，也帶來了更多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。如在發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨固處理的橋臺(tái)巖體基本能保持穩(wěn)定，而未經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨固處理的水工建筑物不能保持穩(wěn)定，工程強(qiáng)度明顯降低。

1.2 自然災(zāi)害對(duì)抗震結(jié)構(gòu)要求

大量的工程實(shí)踐證明，對(duì)于項(xiàng)目組來說，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，水利工程建筑物大多位于氣候多變、氣象條件復(fù)雜、水文地質(zhì)條件干擾強(qiáng)的地方。在這種情況下，施工和運(yùn)行往往會(huì)帶來很多額外的困難，水工建筑物本身也會(huì)受到水的推力、浮力、滲透力和沖刷力的影響，這使得其運(yùn)行環(huán)境比其他建筑物更加復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)人員必須考慮潛在的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，才能有效地提高結(jié)構(gòu)抗震水平，避免自然災(zāi)害后的次生災(zāi)害。

1.3 自然災(zāi)害對(duì)綜合性設(shè)計(jì)的要求

2008年汶川大地震的能量釋放在時(shí)間和空間上都很不均衡。因此，為了使水工建筑物能夠應(yīng)對(duì)這一級(jí)別的自然災(zāi)害，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行抗震計(jì)算和分析時(shí)必須考慮各水工建筑物的實(shí)際地形和地質(zhì)條件?？紤]到不同地區(qū)的水工建筑物很少相同，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮不同建筑物之間的實(shí)際差異，在此基礎(chǔ)上對(duì)工程設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。另外，由于許多地震動(dòng)難以預(yù)先計(jì)算，設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地震斷層附近地震動(dòng)特征的研究，在設(shè)計(jì)中更充分地考慮地震斷層、破裂速度、破裂方式、破裂方向等因素的影響，并結(jié)合這些因素進(jìn)行綜合研究，以滿足抵御自然災(zāi)害的基本設(shè)計(jì)要求。

2 水工建筑物抗震設(shè)計(jì)策略研究

2.1 確定抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架

根據(jù)中外水工建筑物抗震設(shè)防水平的差異分析，除加拿大、瑞士、英國(guó)外，各國(guó)水工建筑物抗震設(shè)防水平均參照ICOLD要求，采用OBE，見兩級(jí)設(shè)防。然而，我國(guó)目前采用的是單層設(shè)計(jì)抗震設(shè)防，對(duì)特別重要的建筑物只進(jìn)行二級(jí)設(shè)防因此，建議我國(guó)水工建筑物抗震設(shè)計(jì)應(yīng)合理確定設(shè)防水平，并結(jié)合設(shè)置框架，將水工建筑物抗震設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)重要工作。

2.2 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

在水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜可以了解地震動(dòng)的衰減情況，反映不同震級(jí)、不同距離的加速度反應(yīng)譜規(guī)律。目前，水利工程設(shè)計(jì)人員只能根據(jù)強(qiáng)震記錄的內(nèi)容，了解反應(yīng)譜和震級(jí)的規(guī)律性變化，從而計(jì)算出地震反應(yīng)譜與震級(jí)、距離的衰減關(guān)系，并分析其相關(guān)性。

在美國(guó)西部研究的基礎(chǔ)上，美國(guó)研究人員根據(jù)世界173次地震的3500次記錄，了解了地震動(dòng)衰減關(guān)系。這些記錄是目前最全面的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜分析結(jié)果。從我國(guó)地震活動(dòng)特征和地質(zhì)構(gòu)造特征出發(fā)，發(fā)現(xiàn)這些因素與北美地區(qū)相似。因此，在研究設(shè)計(jì)反應(yīng)譜時(shí)，也可以參考美國(guó)的數(shù)據(jù)記錄。

2.3 了解混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

在水工建筑物抗震設(shè)計(jì)過程中，混凝土是建筑物的結(jié)構(gòu)原材料，其動(dòng)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量是水工混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力力學(xué)的重要研究參數(shù)。其中，剪拉和彎拉強(qiáng)度是主要研究對(duì)象。對(duì)于水工結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，建議混凝土的抗彎強(qiáng)度可通過試件彎曲試驗(yàn)獲得，混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度可參考國(guó)外有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合國(guó)外研究人員的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定。水工建筑物的動(dòng)壓、抗拉強(qiáng)度應(yīng)比靜強(qiáng)度至少提高20%。此外，第一次模擬考試還應(yīng)了解水工建筑物地震反應(yīng)的復(fù)雜性，闡明結(jié)構(gòu)材料的塑性特性，分析水工土石壩的動(dòng)力狀況，并統(tǒng)一模擬條件，保證分析結(jié)果與實(shí)際情況的差異縮小。根據(jù)國(guó)家提出的工業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，水工建筑物的抗震設(shè)計(jì)采用擬靜力法。同時(shí)，結(jié)合有限元?jiǎng)恿τ?jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了水工結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合評(píng)判。

結(jié)語

水工建筑物的受拉條件和邊界條件十分復(fù)雜?？紤]到地震本身的復(fù)雜性，水工建筑物的設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格按照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證水工建筑物具有良好的抗震能力。此外，考慮到水工結(jié)構(gòu)所用混凝土材料的動(dòng)力性能，設(shè)計(jì)人員可以采用更合理的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)行為，建立合理的抗震水平框架和抗震密封框架，從而顯著提高水工結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

參考文獻(xiàn)

[1]水工建筑物抗震設(shè)計(jì)策略探討[J]. 馮少艷. ?建材與裝飾. 2019（23）

[2]水工結(jié)構(gòu)抗震分析及設(shè)計(jì)[J]. 劉曉嫚，閆毅志. ?中國(guó)水運(yùn)（下半月）. 2019（07）

[3]水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討[J]. 李王坤. ?山西水利. 2017（06）