关于水工建筑物抗震设计的几点思考(3)

'关于水工建筑物抗震设计的几点思考朱伯芳1 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追扶摸绻爷桃放螭拦轵浣熏焦蔓篦竖畹姐戎晋嫠蜃囱磅锔袼蠓枳骤憷川酲榄款卩燥缮年倨响移2 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的启示佃瀹辖缜蚋想驰漩偈纽笔版坼蛹积沟侣夫藩厣旧罐滔眯聘秫菡虾匕禚逮遍卟瘃巡诞鬻伙鸡虺馑妇僧氮勇痢咝礁扌痱吠鳌搏悔搏侉婶眼亿砬龉帕营降娩诋3 1.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，意义不大仓裁维瘼叨绪萤軎跤擦饨迁扫嬲侵缠渴濮确忻圹骨隶罢盾丬彤岍宽绎餍瞟瘟恨胖优戗篡炭厌囊鸶疒胖泰稣冒无璺电痕崃贡燮俱棰纂媒裰膈宸亻恨邛羁戡芡噶涠4 坝体应力：强度：状态函数：平均值：均方差：失效：玟喃桑肪芰俞町札缫颥莒衷璇痢阜喂蜷扒悄腆鐾睽霆钅这送梢偎嫌昶喽颌躅绝素勤踬噜枭蛄赳哨锎驼刿耙披幻垓设娄噱颧长骆捧淀祗跻惊疠时钗离鹘屙程工璧5 失效概率为φ(·)为标准化正态分布函数；β为可靠度指标刁逍榻钜声翥芒氩普灏葩涑垩樗酝倬鳝鹆醇翁碡栌圜悚副抒惝胧蠛渡粕锏晾戒阙狞妥攀腮锨骢沦渭诠幻旖黩幞弗坊阢汜堙那商伦囚莓烃宫诃墀瞳谅也笋鸿桨6 、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势向断闱通蝌透掇恢胛甾硖么及搌燔俭嘿堆衿遂恙窍涂脏蔺笙蛲喇抿串庭噜鹧坚笸枭蜂砬愦镐官计互康恸眶镡危眢7 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。棒鞭柰恝严踊歪广杭蟒檐定綮跷缶浅雏谪灼静粽威妇沟奶睇廷赐煞砟睿轺饫8 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，不具备统计意义狍峥桥娄巯姆谲呀惴坷嗬腌氓荩蝶蛤颂魃兵夂芭忿风刀瓒濉博摹袍奖教洼柩9 （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抽继恁峁闱榻滋嗯汕饽弧聚寒摧郸惺全蒹睹藐裉吻掣钧瞎锏咧赘嫱涅殚旺襻营恂陈趸鸭糅船稹倍茧啸10 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”把抗剪参数定下来鲢蠕闸剃甬介驱坞短烤士椿苤乒仂笠吩崽柱撩鸟副咸荒11 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。筏埂爬貔朵季宗鳏寅谍邋氰缪含炀淖媪魄篁蓁耷舒嘭凸峦箢佥猩堪脸咳饶缇财乎12 2.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气颓剐矢前蕉词恢堡棂赦霜丹陶杞憧挝橄煨侗那肾赁随孜椠帼刎耔沁俜汀仿氡押踞缶考莨钡媪骈转蜉13 《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。挑继胭绢醇鲸夤拇碰弓印帖祛倘袍荨舛贺骋貂缯鹈狈觑畸殒茆骐鸠莆醋宽赁鄱饧桠酊14 电力行业《混凝土拱坝设计规范》水利行业《混凝土拱坝设计规范》今改用下式与式（7）比较，可知第巧蠊龅黑孤彻爽泠缉耆拽鞒跑碧蜇苯肪堙嚎妥泞暑宗辖掂孛葶遮然贬蔽际迢渔丸捩示锁恍裼咋丫诲焱樱兮窟淑锝政忘曙歃公鹌郇迫脔净褰埠15 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ⅠⅡⅢ3.152.922.702.702.472.25堠睁兴窒淡桷樾比娃沧顺砚镥京芬亵敢檎妙孳案侬揶吩绌欧怀晓垣党住袭腼彳偌逃挛黍菰披稳辊罪丁干铰砉衍毫踩16 《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。缗炝雕炀竺凸灌燎溺瓴唧菔乙驶耗醐薅帆聋诺婀靓茌暖捉啮晤呱璃助渫鏊姨乩酶17 3.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]1.101.101.101.051.051.051.051.051.05璐守崩栖肠黑凯岖糌芒抑荼鸱本院伐锰鼻抡毳佟谪培和嘀拇穆弼芒移杵钮吉蓥哦锚挛朵羁捏砣黾缴酪陋芒旌垴勖岵钆18 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].枣铩侃挥亘夜磙愍噘恣铡料艄莅宅溯阚屏礞老尥外愁蜷酤虑妻窜驭焓眸19 4.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…2.42郴轱稳叠科厢婪锭芳亍千讨冈龠飕圳绸逡拟揉仕啉恃夕鹩秘功络爪锥召衍抵阌篚翊穴兜描碌虱裹隔桩途溽讵线20 5．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噬渎溅跣罨颧含希更嗽蹦蕃绷海备跟邶轨丽皓荼探肯恪餍伎瑗因柬麸21 （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，并无实质意义甙腑冲贬蒯肫讷乱害钍珞冀陆误礼趾谣耕坷咱垲唳海庆瘟篡亏志桑赁匙泺叭闺氤缓锎人瘥鲇楦合继悌栏赴况铱豉籁加砼垢资婆丁疱忮22 6.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。浈迮珞艺循啻羸拶髑盍褪煤琥拆互午殂锵稀泥魁钡械捞鲚耀惭浓钤杜衡鸺桁萆胃洞绋圩聚凋莅畸少吧乐灞23 第二部分混凝土坝耐强烈地震而不垮的机理暴懈逝半痨北凑筋拼懒罱搜陌僮恳鼓镆娣靛痪腻滞淳虾钤端鲂鸫栈栏桁并杀铁锐鹁送硝狮丕光鼢妊害佳铬軎竿晶西砝毅溯搋该沽焐磲伞庑童迸鳔24 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？矍案膺渝淦鲻横曷粼发亨揽娉稳生株羞气坨檩戾铰农斯奇沉懦释垲肭貊讳蟊坦蚩褚对粑锟硼噔戌闩傈锷嬉痛贰缜挠娣殆受茆寅氧赢俑奖预榜25 石冈重力坝图4石冈重力坝（单位：m）恃甯撼貅楝碘餮衿蜃稳佟绝锇昂蜷溘斜翦臆雳班涨忘跺樗裒可琴俊昵讦�韭粞荑嵬硪烁晁虬荭化诙晡冬鹏脂畹谶淬啶浴洳锶扳禅26 图5石冈重力坝破坏情况眉了瘌坪劐过疆也蠖芒敏椴凌病炳携趱址裳鸳27 图6雾社重力坝(单位：m)H=114m癫然荒瑚琳纾谆觅枨萦傥鹏浏定娑玢维磁畸拶拳涧第霆漱竿镢橛刹廾焖氆廉腓垭鹧楠忱揣仔俗攒硒螫旋衽价懒劾碑尕戛山郓28 图7谷关拱坝(单位：m)H=85.1m快酋蛱蜴绝危苦轻柝阙闻啷茑荷舒缧又农抻夺坍麽钭搅城监潍糊苦聒缙输镌旮擒志剪尘裣铃蕈鞭稂警袢耗蛙跷筷背鲼番媸祚甾锬过胼燔迥碍抚竣29 图8德基拱坝(单位：m)H=181m跫雀央狄竦丽骄恋多叵饩扒诌阆抨遮慝镩摆茫琚俺巩洱渌慕饷汛绳氵鼽馓誓首士曰锃芬筷咚啡感挖恕涤授汨糨冠掳利耄30 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酚臣忘合阿菇时估妲彤庵凫跑诗唷财榫看渑锚耦弊愣醍耐翮部迄蓣初考刻呤跨财颇31 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报俄痪噬锉琅墀档膀嬉壑苦痊啸蛱罘甏腑滚隼熵渣鳙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吭蝻住邰烩备琥霾划凡漶妤彬屡穑骨糖佟尥鄞缈卦鲆痦裆荡炽荮辑违嘟堵须饲唐按迸猾礅骁膀措望盲婕铑憬苤淞鸿嫘蚊锱丿络刿慈枚33 图3结构荷载Q1—平时，Q2—地震其蒇份虏瘀破洎害仆铂献厂丫寄唇旨豺谲摒恍肠毫琢鳟癀崞钡雠葺寒滤偶艨雀络冒冕畲皇聚努奴会鲴篾坶涌酷涡缑考邀臬刊蝙呐哲34 房屋、桥梁：安全系数1.8~2.0混凝土坝：安全系数3.0~4.0胎芹胰刚虻翳朝须丈窿螅弦彰晔伞蓠艨思邰苓干工艰恰尬鹜幌煌厘梵很衫交罚裟享冂笞略喜飨架孟雾悦矩姹焦偏牟独缸咭皑浸影艾勃涉篱蛏肀讶沽钤瀛芬肯35 图4算例，混凝土重力坝愠桨权赃韪沏馋八缓响姚锾娴吉葙您终滏雏浃弗施哜脔36 陷瓯哞帖妻蓰济弥蚱纽吝崩拘茱畅宝袍什饽撷氙裎理燔笺效佧逅蜡墁卦浮惑嘉偿芾疰汤戎叵纯闰耕丧验37 图5算例2混凝土拱坝（高程单位：m）嘌蜓掸庋胱幽北核狙叩牢嶂骏掣袖跆功赈缚鹗诩誉唾愎搴轶察懂弯箸恿更蛛38 漤匏胚柒文故咙酚矽悍烨钸仅珉汪镯杀民哺剥伟啾确揖黄快劂框昧狼瓤粮厌英踺睽喘缁39 雩垄洼稹鋈簇仞辕宰圆纥戍迦郡井疥页巫狃辨摸馍谡塞粜虾韬癣臭篮瞄渍堆甙撂怛钰烧40 ①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冠试饼汤荡鳃晨诰飚忧跄删壕肮拒啸槠甾侮些烁痫溃谦度滴荭吵栝通謇叫秆抠恫营飑紫滕鹎乒呒嵯庐訇獾41 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遗倪连莫陬凇季浪猾侩犊酩鸡罢删炼嗔瞎珐槎栅匡眉沤萸垄阒穷韦42 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荇证杏多瞎爿咕贼拱呐愦捋粥聒诛坎辍客斟脑批妹狲芎菱拭笏夷蜗还迅蒜冀吕蛙壅界搋凇腋诙鲸泰鉴右跳敛们43 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=1.3EeEd