水電站地面廠房地震響應(yīng)分析研究綜述

蘇晨輝　宋志強　耿聃

摘要：水電作為我國重要的能源組成部分，多集中在強震頻發(fā)的西南、西北地區(qū)，水電站地面廠房有明顯區(qū)別于其它工業(yè)廠房的動力響應(yīng)特點，整體來看，其地震響應(yīng)分析的研究進展相對滯后。當(dāng)前水電站廠房地震響應(yīng)分析的研究主要涉及計算方法、響應(yīng)特點、地震動選取、結(jié)構(gòu)有限元模型、響應(yīng)評價和抗震措施等，有關(guān)規(guī)范修訂也為水電站廠房地震響應(yīng)分析提出了新的要求。通過總結(jié)當(dāng)前研究現(xiàn)狀指出當(dāng)前制約研究工作迅速推進的主要難點，提出了值得開展或更深入探索的若干研究方向，如流道內(nèi)動水壓力的模擬，結(jié)構(gòu)非線性分析，近斷層地震動對水電站廠房動力響應(yīng)的影響，抗震減震措施的研究與應(yīng)用等，并針對部分問題提出了初步研究思路。

關(guān)鍵詞：水電站廠房；地震響應(yīng)；有限元；響應(yīng)評價；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TV312 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：

16721683（2016）05013709

Present situation and prospect of seismic response analysis of surface hydropower house

SU Chenhui，SONG Zhiqiang，GENG Dan

（Institute of Water Resources and Hydroelectric Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an 710048，China）

Abstract：Hydropower，which mainly distributes in southwest and northwest of China，is an important energy component of China.The seismic response characteristics of surface hydropower house is obviously different from those of other industrial plants.Overall，studies on seismic response analysis of surface hydropower house relatively lag behind.Current studies on seismic response analysis of surface hydropower house mainly involve seismic calculation methods，seismic response characteristics，considerations of ground motion，finite element model，evaluation on seismic response，aseismic measures and so on.The modification of code on seismic response analysis of hydropower house puts forward the tentative idea in this filed.Based on current achievements，research should be developed on simulation of dynamic water pressure，structural nonlinear analysis，effects of nearfault ground motions，and aseismic measures.

Key words：hydropower house； seismic response； finite element； response evaluation； developmental tendency

能源緊缺是人類文明發(fā)展所始終面臨的主要問題之一，水力發(fā)電作為一種重要的能源獲取方式，已成為我國僅次于火力發(fā)電的重要能源獲取途徑，且在科學(xué)規(guī)劃、全面論證的前提下仍極具開發(fā)潛力[13]。

我國水能資源主要集中在強震頻發(fā)的西南、西北，因此對處在高烈度設(shè)防區(qū)的重要水工建筑物必須進行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與評價，以避免強震中破壞和引發(fā)次生災(zāi)害。當(dāng)前的地震響應(yīng)分析研究主要著眼于失事后果嚴(yán)重的大壩和形狀高聳的進水塔，針對水電站廠房的研究相對較少。

汶川震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水工建筑物中大體積混凝土結(jié)構(gòu)的震損小，而以梁、柱、墻結(jié)構(gòu)為主的附屬建筑物震損嚴(yán)重[4]。由大量梁、柱、墻結(jié)構(gòu)組成的水電站廠房是水電站電能生產(chǎn)的核心部位[5]，若在地震中出現(xiàn)損毀，將直接危及工作人員安全，中斷生產(chǎn)，并影響搶險救災(zāi)的電力供應(yīng)，后果嚴(yán)重。因此，高烈度震區(qū)的水電站廠房抗震設(shè)計必須重視。本文以水電站地面廠房的地震響應(yīng)分析為對象，基本循照結(jié)構(gòu)動力有限元分析步驟，結(jié)合國內(nèi)外已發(fā)表文獻，介紹其研究現(xiàn)狀，并提出一些有價值的研究方向和思路。

1 水電站地面廠房分類

水電站地面廠房主要分河床式、壩后式和岸邊式，三類廠房的結(jié)構(gòu)形式和動力特性各有特點，分析難點和關(guān)注重點也有所區(qū)別。河床式水電站的廠房兼有擋水作用，上下游靜動水壓力構(gòu)成了其荷載的主要部分，顯著影響廠房結(jié)構(gòu)的動力特性，使其動力分析更為復(fù)雜。壩后式廠房通常與非溢流壩段銜接，可設(shè)縱向沉降縫將廠壩分離，此時廠房結(jié)構(gòu)受力明確，可作獨立分析；當(dāng)不設(shè)沉降縫而與大壩整體相連時，廠房下部結(jié)構(gòu)同大壩連為一體，壩體的部分荷載與位移都會對廠房產(chǎn)生明顯影響，其下部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜。岸邊式廠房由于選址的限制，易受山體崩塌、滑坡、滾石和飛石等次生地質(zhì)災(zāi)害破壞。

廠房邊機組段和中間機組段的動力特性因邊界條件的不同也有所區(qū)別，主要表現(xiàn)為邊機組段相對中間機組段在垂直水流向的邊界條件不對稱，在地震動作用下整體上可能表現(xiàn)出扭曲變形。

2 計算方法

水電站地面廠房地震響應(yīng)分析方法有擬靜力法、反應(yīng)譜法和時程分析法三種，三種方法都可以不同程度的反映廠房結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和破壞情況，為抗震設(shè)計提供理論依據(jù)。擬靜力法在應(yīng)用中較為方便，反應(yīng)譜法能暴露出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，時程分析法可以精確反映結(jié)構(gòu)在時程上的地震受力與地震響應(yīng)過程，且計算結(jié)果與震害調(diào)查吻合度最好[6]。

廠房下部結(jié)構(gòu)的抗震計算原則和方法同混凝土重力壩，上部結(jié)構(gòu)抗震措施參照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定[7]。對規(guī)模大、安全級別高或處于高烈度區(qū)的廠房，建議采用時程法計算[67]。鑒于當(dāng)前水電站廠房規(guī)模越來越大，且現(xiàn)有文獻多采用基于有限元理論的時程分析法，本文將僅就基于有限元動力時程分析的相關(guān)研究進行總結(jié)和討論。

時程分析可分別通過振型疊加和直接積分兩種方法實現(xiàn)。振型疊加法是指通過將結(jié)構(gòu)在各階振型下的響應(yīng)線性疊加后得到結(jié)構(gòu)實際響應(yīng)的方法，其核心原理是利用振型正交的特點通過正則變換將方程組解耦，該方法簡單易行，但由于成立前提是在結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)過程中質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣均保持不變，因此僅限于解決線彈性問題；直接積分法是指通過直接積分來求解動力微分方程并最終得到結(jié)構(gòu)實際響應(yīng)的方法，中心差分法、Newmark法是其最常用的數(shù)值解法[8]，可用于求解線性與非線性問題，但計算代價通常相對高。

隨著非線性相關(guān)理論的發(fā)展以及計算機運算能力的提高，將水電站廠房作為非線性體系進行動力分析逐漸成為趨勢，因此直接積分法更值得推廣。針對其計算代價高的缺點，可以采取部分非線性的方法，即僅將對研究結(jié)果產(chǎn)生顯著影響的部分考慮為非線性，以此縮短計算時間；同時可以開展新的數(shù)值解法研究，獲得保證精度前提下效率更高的解法。

3 響應(yīng)特點

相較于其它類型工業(yè)廠房，水電站地面廠房的地震響應(yīng)有其特別的地方：上部框架鞭梢效應(yīng)明顯和流道內(nèi)動水壓力模擬復(fù)雜。

水電站廠房跨度大、高度高。一方面，下部為大體積混凝土，上部為梁、柱、墻為主的鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)，上、下兩部分間剛度差異明顯，在地震動荷載作用下將產(chǎn)生鞭梢效應(yīng)，造成上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯放大[9]；另一方面，主廠房下游側(cè)通常設(shè)有與其整體相連的二層低跨副廠房，增大了主廠房下游側(cè)結(jié)構(gòu)的剛度，造成地震中上、下游側(cè)結(jié)構(gòu)順?biāo)飨虻淖冃尾粎f(xié)調(diào)，導(dǎo)致吊車的大位移和鋼屋架的大變形，對工作人員的人身安全造成威脅，且極大地增加了震后搶修的難度[10]。

隨著水電機組單機容量的增大，廠房流道內(nèi)水體對廠房動力特性和地震響應(yīng)的影響愈發(fā)顯著，但流道形狀復(fù)雜且所包含水體巨大，很難精確得到流道內(nèi)水體的動水壓力，這也是當(dāng)前此領(lǐng)域的一個研究熱點和難點。

4 地震動選取

計算分析中，地震波的選取與工程所在地的場地、地基條件密切相關(guān)，可以選取實際地震動數(shù)據(jù)，也可以通過時域方法、頻域方法和考慮相位譜在時域與頻域內(nèi)進行綜合調(diào)整的方法等獲得人工地震波[11]。實際地震波的優(yōu)勢在于真實，且可靠的時程記錄越來越多，但對地震這一相對小概率的隨機事件而言，要求得到一組同時滿足同一反應(yīng)譜統(tǒng)計特征和特定場地條件的地震波組時，通過人工擬合的方法更易獲得，對于重要的工程，需要同時考慮實際地震波和人工擬合波下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，二者互為補充。

近斷層地震動對結(jié)構(gòu)的影響是當(dāng)前結(jié)構(gòu)抗震研究的熱點之一。在震源距較小的區(qū)域內(nèi)，地震波中的近場項和中場項不能被忽略，此時這個區(qū)域內(nèi)的地震動就被稱為近斷層地震動[12]。它本身的破裂方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)、上盤效應(yīng)等重要特性，和對高層建筑、大壩等結(jié)構(gòu)的破壞機理均是地震工程界的難題[13]。由于近斷層地震動的研究開展時間并不久，目前還鮮見關(guān)于近斷層地震動對水電站地面廠房破壞影響的文獻發(fā)表。文獻[14]詳述了一種近斷層脈沖型地震動的合成方法，并在此基礎(chǔ)上對比了地下洞室分別在近斷層地震動與遠場地震動下的響應(yīng)情況，可以在此基礎(chǔ)上盡早開展近斷層地震動對水電站地面廠房的地震響應(yīng)影響的研究。

針對平面尺寸較大的水電站廠房，文獻[15]分析了行波效應(yīng)的影響，分析結(jié)果表明，不考慮行波效應(yīng)對廠房結(jié)構(gòu)的設(shè)計偏安全，并建議若地震波速不大時可適當(dāng)考慮行波效應(yīng)，以期得到更經(jīng)濟合理的設(shè)計方案。

5 結(jié)構(gòu)有限元模型

5.1 人工邊界

大量觀測和計算結(jié)果均表明輻射阻尼效應(yīng)的考慮與否對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析結(jié)果有顯著影響[1619]。輻射阻尼效應(yīng)是指從結(jié)構(gòu)反饋的能量向半無限地基中輻射出去的現(xiàn)象，在有限元分析中，通常是建立一個人工邊界來模擬這種現(xiàn)象，現(xiàn)有人工邊界包括全局人工邊界和局部人工邊界兩種[20]。

全局人工邊界是對半無限地基的精確模擬，但計算復(fù)雜且運算量巨大；局部人工邊界是從半無限地基中截取有限部分作為處理對象，具有時空解耦性，數(shù)值解法簡單且單元數(shù)目相對少，應(yīng)用廣泛。

局部人工邊界又分無質(zhì)量地基、透射邊界和黏彈性邊界三類。無質(zhì)量地基采用無質(zhì)量單元和固定約束邊界，它不能模擬地基的輻射阻尼效應(yīng)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)被人為放大，不適合用于精確分析，隨著理論日益成熟且運算能力大幅提高，這種方法已顯出被淘汰的趨勢；透射邊界是通過對所截取邊界面單元的定義，保證波在通過人工邊界時完全透射，但這一方法的實現(xiàn)過程相對復(fù)雜，且自身存在穩(wěn)定問題[20][21]；黏彈性邊界由黏性邊界發(fā)展而來[22]，黏性邊界通過在邊界單元上增加阻尼器以消耗結(jié)構(gòu)反饋的能量，從而達到模擬能量向半無限遠域耗散的效果，但黏性邊界的模擬精度不高，易在低頻失穩(wěn)，黏彈性邊界在黏性單元上增加了彈簧，模擬出邊界單元的彈性恢復(fù)能力，提高了精度并解決了低頻失穩(wěn)的問題。

通過以上比較可以看出，通過建立黏彈性邊界來模擬輻射阻尼效應(yīng)的方法最為簡單可靠，文獻[2325]詳述了黏彈性邊界在實際應(yīng)用中的原理和實現(xiàn)方法，并嘗試了多種簡化的地震荷載施加方式。黏彈性邊界在水電站廠房的動力響應(yīng)分析中應(yīng)用已經(jīng)很多，文獻[26]針對河床式水電站廠房進行了基于黏彈性邊界的地震響應(yīng)分析，將其分析結(jié)果同無質(zhì)量地基固定邊界的分析結(jié)果對比，得到輻射阻尼效應(yīng)明顯減小了河床式廠房上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的結(jié)論。文獻[2728]在針對地下廠房的動力分析中也通過建立黏彈性邊界完成了模擬輻射阻尼的模擬。

5.2 流固耦合

廠房內(nèi)外的水體一方面會改變結(jié)構(gòu)的動力特性，另一方面產(chǎn)生的動水壓力也將顯著影響廠房的地震響應(yīng)。

通常使用附加質(zhì)量法來模擬河床式水電站上下游水體與廠房的耦合效果[2931]，它具有很好的精度保證，在多類水工建筑物的響應(yīng)分析中廣泛應(yīng)用，其原理是將動水壓力等效為與流道壁一起運動的剛度為零的附加質(zhì)量單元，從而大大降低計算解耦的計算成本。

部分研究者選擇簡化考慮或忽略廠房內(nèi)部水體對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，但隨著水電機組單機容量的增大，其影響越來越不容忽視，又由于流道結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜且其中水體龐大，準(zhǔn)確模擬難度大，成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究難點和熱點，目前被較多采用的模擬方法是附加質(zhì)量法和勢流體單元法。

附加質(zhì)量法不能夠模擬脈沖壓力和對流壓力，在大尺寸流道中的計算精度很低，為此文獻[32]嘗試使用修正后的進水塔附加質(zhì)量公式，并最終在水電站廠房模態(tài)分析中得到了具有較高精度的結(jié)果，但此種修正并不具普適性，須謹慎借鑒。

勢流體單元法基于線性無窮小速度公式，通過流體單元的速度來表征力的作用，以此來實現(xiàn)流體與固體的耦合。對于勢流體單元有如下假定：（1）無粘，無漩，無熱傳遞；（2）可微壓或者幾乎不可壓；（3）流體邊界有相對很小的位移或沒有位移；（4）實際的流體速度遠遠小于聲速或者可以認為流體不會發(fā)生流動[33]。壩后式和岸邊式廠房通常可以采用此法，文獻[33]和文獻[34]討論了該方法的具體應(yīng)用，并得到大尺寸流道內(nèi)水體對廠房的動力特性的影響不可忽略的結(jié)論。

為達更精確的模擬效果，針對于水電站廠房流道的復(fù)雜特性，有學(xué)者提出了強耦合法[35]和全耦合模型[36]兩種嘗試。前者開創(chuàng)性地將聲場理論同有限元方法相結(jié)合來分析廠房的動力特性；后者建立了全流道湍流-結(jié)構(gòu)模型，用于分析廠房動力特性和振動傳遞路徑，這兩種方法都是對流道內(nèi)水體全面且精確的模擬。

在水電機組高水頭、大容量的實際需求大背景下，廠房內(nèi)部的流固耦合問題已成為制約其動力響應(yīng)分析的一個重要瓶頸，亟需研究者繼續(xù)深入探索，找到一種相對簡單易用且精度有保障的方法。計算流體動力學(xué)的理論與應(yīng)用已比較成熟，通過場域間邊界區(qū)數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)多場域耦合分析相較于附加質(zhì)量法等弱耦合方法可獲得更精確的結(jié)果，是值得研究人員嘗試和深入探索的一個方向。

5.3 阻尼

阻尼是對結(jié)構(gòu)在動力反應(yīng)過程中能量耗散現(xiàn)象的描述，其成因復(fù)雜且表現(xiàn)形式多樣，針對不同的研究對象或研究目的，研究者提出了諸多阻尼模型，在結(jié)構(gòu)動力分析中應(yīng)用最廣泛的是等效粘滯阻尼器模型，線彈性體系在該模型下的阻尼矩陣不會隨時間發(fā)生變化，但非線性體系因損傷或接觸等原因，阻尼矩陣時刻發(fā)生改變，因此在非線性動力分析中需要確定合理的阻尼矩陣構(gòu)造方法來反映這種改變，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的構(gòu)造方法是考慮了質(zhì)量比例阻尼和剛度比例阻尼的Rayleigh阻尼模型。

Rayleigh阻尼模型在具體應(yīng)用中，通常直接利用結(jié)構(gòu)前兩階自振頻率確定質(zhì)量矩陣系數(shù)和剛度矩陣系數(shù)，但經(jīng)驗證這樣的系數(shù)取法并不適用于所有結(jié)構(gòu)[3738]，特別對長周期結(jié)構(gòu)，如地震中的大跨度拱橋[39]和超高層建筑[40]等，此法并不能準(zhǔn)確反映其動力過程中的實際阻尼效果，甚至有相當(dāng)大偏差，文獻[41]提出對長周期結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)選取應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)自振特性和外部動力激勵的頻譜特性，而水電站廠房上、下部結(jié)構(gòu)剛度差異明顯，前兩階振型往往僅反映上部結(jié)構(gòu)動力特性，因此不能保證其對反應(yīng)有顯著貢獻的振型阻尼比取值的合理性，因此有必要研究地面式水電站廠房這一類結(jié)構(gòu)形式的阻尼系數(shù)取法，可行的研究思路之一是：在線彈性體系內(nèi)，首先通過振型疊加法對水電站廠房有限元模型進行動力響應(yīng)分析，并以此作為精確解，然后通過不同的阻尼矩陣構(gòu)造方法構(gòu)造阻尼矩陣，分別用于直接積分法并得到同一模型的動力響應(yīng)，將此響應(yīng)結(jié)果分別同精確解作對比，從而確定最接近精確解的阻尼矩陣構(gòu)造方法作為非線性體系中最合適的阻尼矩陣構(gòu)造方法。

5.4 線性與非線性模型

限于運算資源相對不足等原因，對水電站廠房地震響應(yīng)的分析常常選擇忽略結(jié)構(gòu)的材料和接觸等非線性特性而僅在線彈性范圍內(nèi)研究討論[4245]。隨著該領(lǐng)域研究的深入和基于性能的抗震設(shè)計要求，更符合實際的非線性動力分析必然成為今后的研究趨勢。

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析較多用到的非線性本構(gòu)模型包括彈塑性模型和損傷塑性模型等。彈塑性模型可以反映混凝土材料在荷載作用后產(chǎn)生不可恢復(fù)變形的特性，通過對屈服條件、流動法則和強化法則的規(guī)定和假設(shè)，能夠較好反映材料在復(fù)雜加載路徑和加載歷史下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)；基于Lubliner等人和Lee等人成果而建立的混凝土損傷塑性模型，采用各向同性彈性損傷結(jié)合各向同性拉伸與壓縮塑性理論表征材料的非彈性行為，引入損傷因子描述損傷的累積發(fā)展，能夠較好反映混凝土在低圍壓條件下的單調(diào)受拉和受壓力學(xué)行為，合理描述混凝土在循環(huán)荷載下的剛度轉(zhuǎn)換和損傷，可以同時考慮材料初始損傷和受力過程中的損傷累積。

文獻[46]和文獻[47]等研究了蝸殼外圍混凝土的損傷及發(fā)展，前者更考慮了鋼蝸殼同外圍混凝土間的非線性接觸行為，使蝸殼外圍混凝土損傷的研究更進一步。文獻[48]基于三峽水電站15#機組廠房的靜力分析結(jié)果，計算考慮損傷后的廠房動力特性，得到蝸殼外圍混凝土開裂對廠房整體自振特性影響較小的結(jié)論。文獻[49]和文獻[50]基于時程分析法對水電站廠房整體進行了非線性地震響應(yīng)分析，并同線性模型計算結(jié)果進行了比較，證明非線性分析的實時仿真優(yōu)勢。

有關(guān)混凝土材料的動力本構(gòu)模型和粘結(jié)-滑移理論研究仍進行地如火如荼，其研究成果將為各類混凝土結(jié)構(gòu)的非線性動力分析提供越來越精準(zhǔn)的依據(jù)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計向基于性能的抗震設(shè)計目標(biāo)越靠越近。

6 地震響應(yīng)評價

現(xiàn)有文獻中，鮮有專門針對水電站廠房地震響應(yīng)評價體系的研究或說明，通過文獻閱讀與總結(jié)，本文認為評價可從三個層次展開。

（1） 承載能力。承載能力是結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的最基本要求，應(yīng)力水平是衡量結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標(biāo)，通過特征位置，如鋼蝸殼外圍混凝土、樓板、梁、柱、墻、屋頂網(wǎng)架等特征位置混凝土、鋼筋和鋼網(wǎng)架的應(yīng)力水平，來表征和評價廠房結(jié)構(gòu)的強度，可以在相當(dāng)程度上準(zhǔn)確反映廠房的響應(yīng)強弱，并可據(jù)此對廠房結(jié)構(gòu)是否會破壞做出判斷。

（2） 變形及變形協(xié)調(diào)性。由于鞭梢效應(yīng)以及上、下游墻柱體系存在剛度差異，水電站廠房的變形必然成為評價體系中的重要一環(huán)。特征位置處的位移峰值、層間位移、上下游排架軌頂相對位移、裂縫分布與發(fā)展等，均可表征廠房結(jié)構(gòu)在震中及震后的變形安全水平。

（3） 對機組及其控制設(shè)備的影響。地震工況屬偶然工況，結(jié)構(gòu)在保證“小震不壞，中震可修，大震不倒”的前提下，應(yīng)盡早恢復(fù)電能生產(chǎn)，為搶險救災(zāi)提供能源保障，因此，在滿足前兩項要求的前提下，還應(yīng)考慮地震對機組及其控制設(shè)備的影響。文獻[51]以三峽水電站廠房為例，結(jié)合機電設(shè)備抗震設(shè)計和機組有限元計算，討論了地震對水電站機組的影響。我國尚未制定這方面的強制標(biāo)準(zhǔn)，文獻[52]通過歸納總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)振動控制標(biāo)準(zhǔn)，提出了一套水電站廠房振動控制標(biāo)準(zhǔn)建議值，但此標(biāo)準(zhǔn)是面向水電站廠房的正常工況提出，地震工況下樓板、機墩等部位的反應(yīng)極可能大大超出標(biāo)準(zhǔn)中建議值，因此怎樣借鑒和引入該標(biāo)準(zhǔn)仍需深入研究和討論。

7 震損表現(xiàn)與抗震措施

地面廠房上部結(jié)構(gòu)剛度小且鞭梢效應(yīng)明顯，同時是影響工作人員安全最直接的部分，因此抗震設(shè)計的關(guān)注重點應(yīng)放在減弱上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)上，汶川震后調(diào)查同樣表明，在滿足“大震不倒”的前提下，水電站地面廠房的震損主要表現(xiàn)為填充墻開裂、排架柱剪切裂縫和基礎(chǔ)沉陷等[5355]。

現(xiàn)有文獻中，針對水電站地面廠房的具體抗震措施專項研究并不多見。結(jié)合建筑抗震設(shè)計思路，可從三個方向考慮其抗震措施設(shè)計：一是減小地震能量輸入，如設(shè)置抗震縫、隔震支座等，但這類措施可能造成結(jié)構(gòu)剛度的削弱，屋頂桁架和面板與排架柱簡支比鉸接更有利于上下游排架柱頂?shù)淖冃螀f(xié)調(diào)，也可考慮采用滑移支座來減弱屋頂網(wǎng)架的應(yīng)力水平；二是提高結(jié)構(gòu)剛度、強度，如提高混凝土強度和增加配筋等，但這類措施可能大幅提高工程造價，汶川震損調(diào)查中出現(xiàn)大量箍筋彎鉤脫開的現(xiàn)象，因此可以考慮在排架節(jié)點、柱腳等規(guī)范要求加密箍筋的位置將箍筋端部以焊接替代彎鉤，以增強抗剪能力；三是消能減震，如增設(shè)阻尼器等，文獻[56]對在水電站廠房中通過設(shè)置阻尼器來減震的方法進行了探索，通過在某廠房發(fā)電機層樓板與上游墻、尾水平臺與下游排架之間設(shè)置了若干粘滯阻尼器來減小薄弱部位的地震響應(yīng)，經(jīng)分析對比，減震效果明顯。

汶川地震中，沙牌、草坡等水電站廠房受滑坡、滾石等次生地質(zhì)災(zāi)害的影響嚴(yán)重[57]，滾石擊穿填充墻等現(xiàn)象大量存在，因此對于不利的地形環(huán)境，地面廠房應(yīng)在選址過程中遵循“先避讓，后處理，再保護”的指導(dǎo)思想，盡量減輕次生地質(zhì)災(zāi)害對地面廠房的破壞。

自福島核電站危機以來，針對核電站、火電站廠房抗震、減震措施的探索成為新的研究熱點，目前已有研究成果應(yīng)用于新、擴建工程[5861]，能否將同類技術(shù)應(yīng)用于水電站廠房設(shè)計是值得深入研究的一個方向，需注意的是由于水電站廠房的安裝運行要求，在其它工程中應(yīng)用較多的阻尼器、減震器和剪力墻等的布置往往嚴(yán)重受限，因此大規(guī)模應(yīng)用還應(yīng)有進一步的技術(shù)論證和經(jīng)濟方案比較。

同其它類型電站相比，水電機組有相對方便廉價的啟閉能力，通過細化并嚴(yán)格執(zhí)行地震相關(guān)應(yīng)急制度，從制度層面減弱廠房地震響應(yīng)，將震害降至最低，也可以成為今后此領(lǐng)域研究的新方向。

8 規(guī)范修訂

DL 5073-2000《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行已歷14余載，期間我國境內(nèi)發(fā)生了波及眾多水工建筑物的汶川、玉樹兩次強震。NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》由國家能源局于2015年4月2日發(fā)布，同年9月1日起正式實施，替代原有DL 5073-2000《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》，限于本文作者水平，僅就新規(guī)范中有關(guān)水電站廠房部分的修訂做簡單介紹，希望引起工程與科研人員的注意。

（1） 由基于經(jīng)驗的安全系數(shù)法向基于可靠度理論的分項系數(shù)法“轉(zhuǎn)軌”，同時引入表征非隨機性不確定性的結(jié)構(gòu)系數(shù)，這符合潘家錚院士提出的“積極慎重，轉(zhuǎn)軌套改”的指導(dǎo)思想，從理論上更符合基于性能的抗震設(shè)計要求。

（2） 場地分類將原Ⅰ類場地（νs≥500 m/s，νs為場地覆蓋層等效剪切波速，下同）細分為Ⅰ0（νs≥800 m/s）和Ⅰ1（800 m/s≥νs≥500 m/s）?；A(chǔ)和場地的優(yōu)劣直接影響著反應(yīng)譜的形狀和幅值大小，相對于普通民用建筑，水工建筑物對基礎(chǔ)和場地的選擇要求通常高很多，對νs≥800 m/s這類地質(zhì)條件很好的場地，依照基于性能的抗震設(shè)計要求，有必要單獨列出與之相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜。相對Ⅰ1類場地，Ⅰ0類場地所對應(yīng)反應(yīng)譜特征周期取值減小，即平臺段縮短，這將使計算結(jié)果變小，更真實反映結(jié)構(gòu)在設(shè)計地震下的響應(yīng)水平。

（3） 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜中動力系數(shù)公式的衰減系數(shù)由09改為了06。由于水電站廠房前3階自振周期通常位于反應(yīng)譜下降段，因此此項修訂將顯著影響反應(yīng)譜法和通過反應(yīng)譜獲取地震動時程荷載的時程計算結(jié)果，使所得響應(yīng)更強烈。

（4） 規(guī)定特征周期按《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》查詢后還應(yīng)按特征周期調(diào)整表進行調(diào)整。相對原規(guī)范中對特征周期的選取，新規(guī)范通過對調(diào)整表的規(guī)定，同時兼顧了場地和震中距對標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜的影響，更貼近各地各工程的實際。GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》將于2016年6月1日起正式實施，取消了不設(shè)防地區(qū)，并將地震動參數(shù)明確對應(yīng)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，為水工建筑物抗震計算和設(shè)計提供了更細致準(zhǔn)確的基礎(chǔ)依據(jù)。

（5） 將水電站廠房等建筑物的阻尼比建議值調(diào)整為7%，此項修訂將使時程計算所得響應(yīng)減弱，對于不同結(jié)構(gòu)形式的建筑的響應(yīng)減弱幅度還需具體分析。

9 總結(jié)

水電站地面廠房有明顯區(qū)別于其他工業(yè)廠房的動力響應(yīng)特點，其震損情況直接影響到其內(nèi)工作人員的人身安全和震后救災(zāi)的能源保障，因此應(yīng)重視其地震響應(yīng)分析的研究工作。

圍繞水電站廠房地震響應(yīng)分析，學(xué)者們從計算方法、地震動選取、建立結(jié)構(gòu)有限元模型、結(jié)構(gòu)響應(yīng)評價、抗震措施等方面做了大量研究，其中，輻射阻尼效應(yīng)模擬、流固耦合模擬和結(jié)構(gòu)非線性分析是當(dāng)前三個主要研究熱點并已經(jīng)取得了部分進展；近斷層地震動和阻尼矩陣構(gòu)造方法對水電站廠房動力響應(yīng)分析結(jié)果的影響，抗震減震措施的研究與應(yīng)用等方面的研究工作，仍亟待科研和工程人員繼續(xù)深入。

《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》等一批有關(guān)水電站廠房抗震設(shè)計的新規(guī)范已陸續(xù)發(fā)布，希望引起工程和科研人員的注意，并據(jù)此把握該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

汶川、玉樹地震后，關(guān)于水電站廠房地震響應(yīng)分析的研究已在向前快速推進，希望本文可以為讀者帶來一定幫助，共同為此領(lǐng)域的發(fā)展加瓦添磚。

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