水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討

秦吉祥

摘要：水工抗震的不確定性主要是由于水工結(jié)構(gòu)線路長、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高地下水位與高構(gòu)造應(yīng)力增加導(dǎo)致，在水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中水工結(jié)構(gòu)的受力狀況繁雜，而且邊界條件復(fù)雜，使地震動(dòng)的反應(yīng)狀況千變?nèi)f化。下面通過抗震要求對水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，提出合理的抗震設(shè)計(jì)建議，希望為我國抗震設(shè)計(jì)做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：水工結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計(jì);抗震要求

1、抗震要求

我國發(fā)展的歷程中，針對地震部門烈度鑒定地區(qū)的構(gòu)造實(shí)行了全面抗震設(shè)計(jì)，通過研究數(shù)據(jù)可知，九四年之后的幾次強(qiáng)烈地震（邢臺、唐山、新豐江地震）在震前都預(yù)測為6度或小于6度的地震，對應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)都沒有按照抗震的規(guī)范要求進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致地震發(fā)生后造成的損失慘重。所以設(shè)計(jì)人員不僅要在地震多發(fā)地區(qū)嚴(yán)格按照國家規(guī)定的抗震要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且還要對地震過后的水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，即使地震的級別為6度或6度以上，仍需對相應(yīng)地區(qū)的樞紐進(jìn)行合理的布置，從而減小地震造成的損耗。水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的防火設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行專門的探討，分析防火設(shè)計(jì)在地震中的重要性，并對產(chǎn)生的問題提出解決措施，實(shí)現(xiàn)費(fèi)用的合理利用，從而實(shí)現(xiàn)抗震減災(zāi)最終目標(biāo)。目前，我國對于高壩大庫和失事后果嚴(yán)重的水工結(jié)構(gòu)都有必要設(shè)立地震防范。一般情況下，水工結(jié)構(gòu)實(shí)行抗震設(shè)計(jì)是非常有難度的，在選擇結(jié)構(gòu)線路時(shí)就需要對不利地質(zhì)進(jìn)行研究分析，避開不利地段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而減小地震帶來的危害。在設(shè)計(jì)中需要對重點(diǎn)地段進(jìn)行抗震核算，這是設(shè)計(jì)人員必做的準(zhǔn)備工作?？拐鹨笫撬そY(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員需要通過實(shí)際的地質(zhì)情況進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，在符合國家要求的情況下對水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

2、水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的建議

2.1建立抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架

建立符合規(guī)范要求的水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架，這是抗震設(shè)計(jì)中的重要準(zhǔn)備部分。通過分析數(shù)據(jù)，外國的抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架是遵循最大設(shè)計(jì)地震和運(yùn)行基本地震兩個(gè)組成部分的原則實(shí)行設(shè)防，與此同時(shí)，還需要加上水庫地震設(shè)防。國內(nèi)外的水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的具體實(shí)施都可以體現(xiàn)出重現(xiàn)期為一兩百年的OBE，通常在水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中起不到明顯的控制作用。水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的任務(wù)就是密切關(guān)注因庫水引發(fā)的構(gòu)造型水庫大壩地震，這種地震類型不需要將水庫地震和運(yùn)行基本地震設(shè)計(jì)到框架中去。對于甲類抗震設(shè)防之外的水工結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段的規(guī)范要求都通過“設(shè)計(jì)地震”來開展抗震設(shè)計(jì)。對甲類抗震設(shè)防的大壩工程，應(yīng)當(dāng)組織抗震安全探究活動(dòng)，當(dāng)遇到極限地震時(shí)不會(huì)出現(xiàn)潰壩現(xiàn)象，也不產(chǎn)生危害人們財(cái)產(chǎn)安全和生命安全的危險(xiǎn)。針對這些問題提出了幾種原則性的研究報(bào)告：①針對大型的水工結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格遵循“設(shè)定地震法”，收集關(guān)于場地有關(guān)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的資料，實(shí)現(xiàn)人工模擬地震動(dòng)加速度時(shí)程的目標(biāo)。②應(yīng)當(dāng)通過場地地震地質(zhì)的真實(shí)狀況來總結(jié)“最大可信地震”的峰值加速度，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆绞交蛘呋鶞?zhǔn)期一百年以內(nèi)、超越概率為百分之一的概率法，兩者取最大值。③當(dāng)水工結(jié)構(gòu)遭受到強(qiáng)烈地震時(shí)，地震響會(huì)實(shí)現(xiàn)塑性的可能，因此，應(yīng)當(dāng)全方位考慮震動(dòng)加速度的幅度和頻譜非平穩(wěn)性等影響。④若水工結(jié)構(gòu)場所的傾角讀數(shù)<70°，發(fā)震斷層距離<30 千米，可以把地震造成的影響計(jì)入上盤效應(yīng)。⑤若水工結(jié)構(gòu)場地距離地震區(qū)的范圍為<10 千米，但地震級別>7級時(shí)，應(yīng)當(dāng)分析大震中的發(fā)震斷層形成的原因，用來構(gòu)成場地地震動(dòng)加速度時(shí)程。

2.2對標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的建議

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的主要功能就是表達(dá)出地震動(dòng)反應(yīng)譜的衰減情況，同時(shí)還能夠細(xì)致的表達(dá)出不同地震等級和地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜之間的關(guān)系。從就近的地震情形來分析，地震動(dòng)反應(yīng)譜、地震等級與場址距離間的規(guī)律能夠通過實(shí)際的強(qiáng)震來記錄，由統(tǒng)計(jì)獲得的地震反應(yīng)譜、地震等級與地震距離之間的衰減關(guān)系，因?yàn)楝F(xiàn)階段還不能夠通過理論知識對它們做出詳細(xì)、具體的總結(jié)和歸納。從地震活動(dòng)的特點(diǎn)和地震發(fā)生地的地質(zhì)構(gòu)造來研究，我國地震發(fā)生的情形北美大陸有較多的相似點(diǎn)。由于我國目前對于詳細(xì)的強(qiáng)震記錄工作并不全面，水工結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，需要借助美國的強(qiáng)震記錄來開展研究活動(dòng)，從而在我國出現(xiàn)強(qiáng)烈地震情況時(shí)能夠輕松面對。

2.3水工結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

在實(shí)際的水工結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量都是水工結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能中有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。水工結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度參考數(shù)值可以通過全級配試件抗折試驗(yàn)來測得彎拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，利用外國實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)作依據(jù)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作期間，工作人員應(yīng)當(dāng)綜合分析震動(dòng)的往復(fù)因素，建議水工結(jié)構(gòu)材料的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度都應(yīng)當(dāng)比靜態(tài)強(qiáng)度增強(qiáng)百分之二十。

2.4水工結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析

水工結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)尤為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)材料本身的塑性性能非常強(qiáng)，很難采用統(tǒng)一的條件來開展模擬活動(dòng)，這就導(dǎo)致分析數(shù)據(jù)和實(shí)際的地震情形存在明顯的差異?！端そㄖ锟拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》是通過擬靜力的方式對水工結(jié)構(gòu)實(shí)行抗震設(shè)計(jì)，這種方式有一定的局限性，它不能夠直觀的體現(xiàn)出實(shí)際情況中的地震情況和水工結(jié)構(gòu)地震作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，因此，不能夠精準(zhǔn)的計(jì)算出水工結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布與地震變形數(shù)據(jù)。所以，可以運(yùn)用擬靜力的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過有限元法的動(dòng)力來計(jì)算地震時(shí)出現(xiàn)的具體情況，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析、研究，全方位判定水工結(jié)構(gòu)的抗震安全性能。

3、結(jié)束語

現(xiàn)階段我國對于工程建設(shè)方面的科研還不成熟，在發(fā)展過程中還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)計(jì)人員需要對重大工程的抗震問題進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，預(yù)防嚴(yán)重地震帶來的不利影響。在開展科研過程中，需要正視困難，勇于面對挑戰(zhàn)，為我國的工程發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的受力分析情況比較繁瑣，邊界條件也較為復(fù)雜，因此地震震動(dòng)的反應(yīng)情況也非常復(fù)雜。根據(jù)不同的地震區(qū)域，通過出臺的《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》來開展抗震設(shè)計(jì)，著重把控我國地震區(qū)的抗震性能，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的地震設(shè)計(jì)方案。地震實(shí)例能夠給新建的水工建筑物抗震設(shè)計(jì)帶來啟迪，水工結(jié)構(gòu)需要全方位考慮材料的動(dòng)態(tài)性能，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，確定合理、準(zhǔn)確的抗震設(shè)防水準(zhǔn)框架。

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（作者單位：中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司）