关于水工建筑物抗震设计的几点思考

1关于水工建筑物抗震设计的几点思考朱伯芳2第一部分：水工抗震设计安全系数的选取第二部分：混凝土坝耐强烈地震而不垮的机理第三部分：抗震设计中混凝土动态弹模的合理取值及其影响3第一部分：水工抗震设计安全系数的选取1.可靠度理论2.单项安全系数法与多项安全系数法3.土石坝和水闸采用多项系数法的困难4.单项安全系数法便于对比、分析5.折减系数ζ=0.25的启示41.可靠度理论由于样本太少，问题复杂，可靠理论应用于坝工设计，意义不大5坝体应力：强度：状态函数：平均值：均方差：失效：fzfmmmzf22zf0zf6•失效概率为φ(·)为标准化正态分布函数；β为可靠度指标22mmmfzzf　　　　　　　（２）0()1()PzPf（）　　　　（１）7、分别为f和的变异系数为强度f的分项系数为应力的分项系数式（2）可改写如下VfVof0移项整理后，得到表达式式（3）与式（1）是等价的式（3）是用可靠度理论的基本方程8设计的精度取决于应力σ和强度f的精度:第一，是否有足够的样本来决定应力和强度的概率分布、平均值和变异系数；第二，应力计算方法是否有足够的精度，使计算的应力比较符合实际。9cufcf混凝土抗压强度实际抗压强度90d龄期抗压强度试件形状、试件尺寸及湿筛影响系数为龄期系数最大应力的龄期与90d龄期强度的比值加荷速率影响系数只有试验资料较多其他3个参数，资料都很少，不具备统计意义1b2/(90)cucubff3bfcu10（1）拱坝应力-自重应力-坝体表面的水荷载应力-运行期坝体平均温度和等效线性温差应力-地震应力-施工期温度残留应力-非线性温差应力-运行期温度场边界条件的变化（上游水位变化）引起的应力-库区水荷载通过基础变形引起的应力（2）设计中，只考虑了式（6）前4项，忽略了后面4项（3）前4项中计算应力与实际应力有相当的差别，可靠度理论并不能解决，只有改进计算方法才能解决1234567811抗滑稳定T—滑动力，N—轴向压力，A—面积。基岩构造面的试验资料太少，难以用来决定其统计分布和统计参数遇到复杂问题时，“拍脑袋”把抗剪参数定下来TfNcA　　　（８）12混凝土坝：（1）抗滑样本太少（2）实际应力与计算应力有差别，非可靠度理论所能解决。结论：可靠度理论应用于混凝土坝设计，实际意义不大。笔者并不反对利用概率论对某些问题进行分析，但要认识到混凝土坝设计问题的复杂性及概率论的局限性。桥梁可用，房屋有争论。132.单项安全系数法与多项安全系数法形式不同而本质相近水工结构的安全系数本质上是经验系数两种方法最终结果必然相近14《混凝土拱坝设计规范》（DL/5346-2006）为结构重要性系数，=1.1、1.0、0.9；为设计状态系数，=1.0、0.95、0.85为结构系数，取1.2；为摩擦系数的分项系数，取2.4；为粘聚力c的分项系数，取3.0。1110111fNcATmcdmf　　　（７）001d1mf1mc15电力行业《混凝土拱坝设计规范》1101111dmfmcT∑fN∑cA+　（７）　　水利行业《混凝土拱坝设计规范》1()11TfNcAK　　　　（８）今改用下式111()NTfscAK　　　（９）与式（7）比较，可知01111,/0.8dmfmfmcKs　　（１0）16表3《水利拱坝规范》粘聚力打8折安全系数K表2《水利拱坝规范》抗剪断安全系数K表1《电力拱坝规范》换算的抗剪断安全系数K计算公式荷载组合基本组合特殊组合（非地震）剪摩式（7）（粘聚力×1.0）大坝级别ⅠⅡⅢ3.503.253.003.002.752.50计算公式设计状态持久状态短暂状态偶然状态剪摩式（6）安全级别ⅠⅡⅢ3.172.882.593.012.742.462.692.452.20计算公式荷载组合基本组合特殊组合（非地震）剪摩式（8）（粘聚力×0.9）大坝级别ⅠⅡⅢ3.152.922.702.702.472.2517《拱坝水规》与《拱坝电规》抗剪计算公式虽然差别很大，但实际蕴含的安全系数基本相同。换句话说，两本规范安全评估方法在形式上差别很大，但实质相近。惟一差别是，单一安全系数法不能同时考虑f和c的不同特性，而多项系数法由于采用不同的材料分项系数可以考虑f和c的差别，现在采用笔者方法，在抗剪断公式中引入粘聚力折减系数s，单一安全系数法同样可以考虑f和c的差别。因此，单一安全系数的功能与多项安全系数的功能相同，单项安全系数法形式简单。183.土石坝和水闸抗滑稳定安全系数采用多项系数法的困难表4土石坝和水闸遭遇地震时最小抗滑稳定安全系数设计规范工程等级ⅠⅡⅢ土石坝设计规范[3]水闸设计规范[4]水工建筑物抗震老规范[5]1.101.101.101.051.051.051.051.051.0519,/0.801111Ksmcdmfmf　　　　　（10）Ⅰ级建筑物K=1.10到Ⅱ、Ⅲ级建筑物K=1.05，其变幅只有5％.对于Ⅰ级建筑物,=1.10,为了=1.10,只有取=1.0,在此，统计理论已毫无用武之地.对于Ⅲ级建筑物,=0.90,=1.0，K==0.9，安全系数＜1.0，是不妥。电力行业《碾压式土石坝设计规范》DL/T5395-2007在坝体抗滑稳定计算中不采用多项安全系数法而采用单一安全系数法是明智的[16].00dmfdmfdmc0dmf0dmd204.单一安全系数法便于不同工程、不同方案的分析比较两种评估方法，表现形式不同，而实质相近，但表现形式也是重要的，因为它影响到对不同工程、不同方案的分析与比较。表5某特高拱坝抗滑稳定分析成果（偶然组合）高程（m）作用效应与抗力（要求前者≤后者）抗剪断安全系数K（要求K≥2.70）935…7553334/6443……8769/79025.20…2.4201()dmfmcfNcAT/215．折减系数ζ=0.25的启示(1)质点的水平向地震惯性力--水平向设计地震加速度，--折减系数，--i点重量，--点的动态分布系数，g--重力加速度.(2)Ⅸ度地震,1960年前，=0.1g,=1.01960年后，工业民用建筑物抗震设计中取=0.40g水工建筑物，=0.40g，=0.25/ihiiFaGg　　　（12）haiGihahaha22（1）按设防的水坝，Ⅷ、Ⅸ度地震无严重损害。（2）Ⅸ度地震时，与工业民用建筑一致。（3）计算地震荷载时乘以，回到了（4）系数从1.0变到0.25，一步相差4倍，表明水工建筑物抗震设计的精度不是很高。（5）多项系数法把公式搞得很复杂，并无实质意义0.1hag0.4hag0.250.1g236.小结（1）由于样本太少，问题复杂，可靠度理论应用于坝工设计，意义不大。（2）单项安全系数法和多项系数法，形式不同，本质相近。（3）单项安全系数法形式简单，便于分析比较。（4）土石坝和水闸抗滑稳定安全系数k=1.10～1.05,多项系数法无法应用。24第二部分混凝土坝耐强烈地震而不垮的机理25汶川大地震伤亡、失踪87000人房屋、桥梁大量破坏水坝2380座无一垮坝为什么？26石冈重力坝图4石冈重力坝（单位：m）27图5石冈重力坝破坏情况28图6雾社重力坝(单位：m)H=114m29图7谷关拱坝(单位：m)H=85.1m30图8德基拱坝(单位：m)H=181m31坝名国家建成时间(年)坝型坝高(m)地震日期震中距(km)震级烈度地面加速度震害新丰江中1959大头坝1051962.3.191.16.18坝体上部断面突变处产生水平裂缝西菲罗伊朗1967大头坝1061990.6327.3-7.7断面突变处水平裂缝，缝宽1cm，向下游错动2cm柯印纳印1963重力坝1031967.12.103.06.3坝内廊道水平0.51g,竖向0.36g坝体断面突变处水平裂缝宝珠寺中重力坝1322008.5.128.07无损害雾社中1959重力坝1141999.9.217.3坝顶1.02g坝底0.28g无重大损害表1国内外已建混凝土坝震害简表32坝名国家建成时间(年)坝型坝高(m)地震日期震中距(km)震级烈度地面加速度震害石冈中1977重力坝21.41999.9.217.3水平0.57g竖向0.48g活断层穿过坝轴线处，三个坝段被毁，断层两边坝体错动7.6m，其余坝段完好沙牌中2005拱坝1322008.5.12308.09损害轻微谷关中1961拱坝85.11999.9.21517.3水平0.4g坝体老裂缝扩展，也产生了一些新裂缝德基中1974拱坝1811999.9.217.3水平0.4~0.5g坝基渗水增加，渗出清水帕柯依马美1928拱坝1131971.2.96.46.6水平1.25g竖直0.7g损害较大，推力墩与坝体间接缝张开，推力墩本身裂开并略有移动，左坝肩岩体大面积坍塌表1国内外已建混凝土坝震害简表33坝名国家建成时间(年)坝型坝高(m)地震日期震中距(km)震级烈度地面加速度震害大吐君盖美1932拱坝771971.2.9326.6渗漏增大勃拉希溪美1970拱坝6519736.6渗漏增大吉勃拉塔美1920拱坝501925.6.256.37渗漏增大拉比美1938拱坝761947.11.137无损伤巴洛沙澳1902拱坝361954.3.15.5坝体有裂缝拉贝尔智利1968拱坝1121985.3.3807.78顺河0.31横河0.114g坝顶裂缝卡勃里尔葡1954拱坝1361969.2.2886无损伤奥迪克塞拉葡1958拱坝411969.2.2887渗漏增大帕特·多夫纳罗1971拱坝1081977.3.46无损伤维德·阿吉斯罗1965拱坝1671977.6.47.5无损伤西里斯南非1953拱坝241969.9.296.46.6开裂，漏水表1国内外已建混凝土坝震害简表34QWQW（a）水坝（b）房屋、烟囱图3结构荷载Q1—平时，Q2—地震35房屋、桥梁：安全系数1.8~2.0混凝土坝：安全系数3.0~4.0360150m30120m1：0.80图4算例，混凝土重力坝3738图5算例2混凝土拱坝（高程单位：m）394041①平时巨大水平推力②安全系数大静荷载安全余度包住了动荷载混凝土坝耐强震原因42远离活断层是首要抗震措施活断层可能分叉躲开并不容易应该重视43第三部分混凝土坝抗震设计中混凝土动态弹性模量的合理取值44小湾拱坝静态瞬时弹模Es=35GPa静态长期弹模Ee=21GPa动态弹模Ed=27GPa=1.3EeEdEs45静荷载作用下的瞬时弹性模量和持续弹性模量在加载的瞬时，产生的弹性应变为：（1）E()为瞬时弹性模量随着时间而增加的应变称为徐变（2）C(t,)称为徐变度总应变是弹性应变与徐变之和（3）（4）J(t,)称为徐变柔量)()()(Ee),()(),(tCtc)(e),(tc),()(),()()()(),()(),(tJtCEttce　　　),()(1),(tCEtJ),(tC)(/Ett46图1不同龄期加载时混凝土的徐变柔量47徐变柔量的倒数称为持续弹性模量（sustainedelasticmodulus）（7）持续弹性模量与瞬时弹性模量的比值为（8）),()(1)(),(1),(),(1),(tCEEttEtJtEe),()(11),(11)(),(),(tCEtEtEtree48持续弹性模量与瞬时弹性模量的比值荷载加荷龄期持荷时间t-自重=0~3年t-=∞水压=1~5年死水位以下，t-=∞死水位以上，0~若干年稳定温差=0.5~3年t-=∞水压=0~∞t-=1/2年),()(1