水工建筑物2005-设计综述C2

'2.1.1第二章水工建筑物设计综述§2.1水利工程的设计任务和特点一、水利技术工作©1、勘测：水文、气象、地质、地理、经济及社会信息。©2、规划：统一部署，主要依据社会现实、自然环境。©3、工程设计：运用科学技术、设计理论、设计原理……。©4、工程施工：组织人力、无力高质量完成任务。©5、工程管理：已建成工程的调度、运行、维修、经营……。©6、科技开发：研究新理论、新材料等，以提高科技水平。j1 2.1.2第二章水工建筑物设计综述§2.1水利工程的设计任务和特点二、水利设计特点©1、个性突出：几乎每个工程均有其独特的水文、地质、自然条件©2、规模大、风险大：需谨慎、严格，必要时需试验研究©3、规程规范指导性强：总结历史，参考经验，形成规程规范©4、施工外界干扰大：施工过程中可能出现暴雨、滑坡、泥石流等108座大坝失事：16.7％在施工中，26.8％在第一次蓄水j2 2.1.3第二章水工建筑物设计综述§2.1水利工程的设计任务和特点三、设计工作水平©㈠设计类型¾1、开发型设计：创造性的新方案，但难度大、风险大、投资高¾2、更新型设计：在常规型式的基础上改进，局部创新¾3、适配型设计：常规型式上选择适当的尺寸、材料和布置型式©㈡工程设计优劣的评价¾1、适用性¾2、安全性¾3、经济合理性je 2.2.1第二章水工建筑物设计综述§2.2设计的工作步骤和特点一、水工建筑物设计©水利工程建设的全过程是一个系统工程。功能需求、资金、人力投入关键环节设计工作者需站在全局的高度解决问题。物力资源、结构型式、工作特点j1 2.2.2第二章水工建筑物设计综述§2.2设计的工作步骤和特点二、设计工作步骤1.收集资料及信息2.明确总体规划及功能3.提出方案©对于成功的设计者，到此4.方案比选只成功了一半；需反馈，5.推荐方案不断更新和优化设计6.优化设计和细部构造©施工设计代表7.初定施工方案8.方案评价及验证j2 2.2.3第二章水工建筑物设计综述§2.2设计的工作步骤和特点三、分等和分级©㈠水利工程(水利枢纽)的分等¾水利工程具有巨大的社会和经济效益¾工程失常影响效益，工程失事造成灾难水利工程分等¾工程规模有大小，安全程度有高低©分等依据：规模、效益、重要性©等别：五等y 2.2.3第二章水工建筑物设计综述§2.2设计的工作步骤和特点三、分等和分级©㈡水工建筑物的分级¾永久性主要建筑物：大坝、厂房、泄洪闸…¾永久性次要建筑物：挡墙、导墙、护岸…水工建筑物分级¾临时建筑物：施工围堰、导流建筑物…©分级依据：工程等别、作用、重要性©级别：五级©设计基准期：一级挡水建筑物100年，其它永久性建筑物50年。y 第二章水工建筑物设计综述§2.2设计的工作步骤和特点2.2.3三、分等和分级©㈢水工建筑物的结构安全分级水工建筑物的级别水工建筑物的结构安全级别1Ⅰ2、3Ⅱ4、5Ⅲ∑注意数字的区别¾水利枢纽分等：一、二、三、四、五等¾水工建筑物分级：1、2、3、4、5级¾结构安全级别：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级je 2.3.1第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合一、作用与作用效应©作用：外界环境对水工建筑物的影响。含重力、水、渗透、风及波浪、冰及冰冻、温度、土及泥沙、地震等作用。©作用效应：水工建筑物对外界作用的响应。如应力、变形、振动等∑荷载主要指外力，而作用指全面，如还包含温度、地震(常称间接荷载)、地基、生物影响等。j1 2.3.2第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合二、作用计算1.重力：G=γsVol22.静水压力：pH=γh,PH=5.0γh,PV=γVol注意作用注意作用点位置点位置y 2.3.2第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合二、作用计算作用点位于3.动水压力：反弧段中点反弧段P=ρqV()cosα−cosα最低点H21P=ρqV()sinα+sinαV21∑动水压力通常在水流流经曲面产生水流方向的改变时计算，一般情况可不计算y 2.3.2第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合二、作用计算4.渗透水扬压力：渗入地基的水流对建筑物产生的静水压力。=浮托力(下游水深产生)+渗透压力(上下游水位差产生)上下游水位差产生的渗透压力下游水深产生的浮托力y 2.3.2第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合二、作用计算p=γJ5.渗透动水压力：渗透水对土粒产生的体积力。y 2.3.2第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合二、作用计算6.波浪作用计算4/53/1h=.00166VDl0©⑴波要素计算：官厅水库公式L=104.h8.0注意单位l吹程波长波浪中心线高2波高πh2πHlh=cthzLLy 2.3.2第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合二、作用计算6.波浪作用计算⑵波浪类型：¾深水波：H>L/2LL+2πhl¾浅水波：H=H0~L/，2临界水深：H0=ln4πL−2πhl¾破碎波：H7.1h⎩ly 2.3.2第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合二、作用计算7.土压力和泥沙压力计算：©土压力按土力学的方法计算©泥沙压力按下式计算122⎛ϕs⎞Ps=γsbhstg⎜45−⎟2⎝2⎠∑γ：泥沙浮容重＝干容重－水比重sby 2.3.2第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合二、作用计算8.冰压力计算：©静冰压力：因温度升高，冰层膨胀而对建筑物产生的压力。©动冰压力：浮动冰块受风和流水作用撞击建筑物产生的压力。©冰冻作用：严寒地区地基土内水份结冰形成冻土，土体膨胀(冻胀)而对建筑物产生的冻胀力。y 2.3.2第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合二、作用计算9.温度作用：©温度应力：建筑物温度变化产生热胀冷缩，当变形受到约束限制时产生的内应力。©温度作用效应：结构因温度变化产生的应力、变形、位移等。10.风作用：©风间接作用力：风成浪压力©风直接作用力：一般对高建筑才考虑风压11.地震作用：地震动态反应j2 2.3.3第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合三、建筑物的作用效应分析方法1.物理模型试验法©水力学模型试验：满足流体模型相似律。(图)©结构模型试验：满足弹性体模型相似律。(图)2.数学模型模拟法©解析法：通过数学物理方程直接求解。适用简单边界，是基础性的方法。©差分法：用差分代替微分进行计算的近似解法。通常用于求解水流问题。©有限元法：用离散的有限单元体逼近连续体以获得问题的解，通常用于求解结构问题。3.经验类比法©参照已建工程推测拟建工程，如将重力坝简化为悬臂梁等。j3 2.3.4第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合四、工作状况建筑物在施工、安装、使用、检修等可能出现的三种工作状况：1.持久状况：结构使用时长期出现的状况，如正常挡水、发电时。2.短暂状况：一定会遇到，但持续时间短，次数少的状况，如检修等3.偶然状况：偶然出现的工作状况，如大坝承受地震、校核洪水作用时划分工况的目的在于：不同设计状况可采用不同安全标准，以节省材料j4 2.3.5第二章水工建筑物设计综述§2.3水工建筑物上的作用及作用效应组合五、作用效应组合©建筑物承受的作用，按持续时间总体上分三种：1.永久作用：长期存在，且其值长期不变，如自重、土压力……2.可变作用：长期存在，但其值可变，如水、温度、冰等荷载3.偶然作用：偶然出现，持续时间短，但作用效应大，如地震、校核洪水©作用效应组合也分为三类：1.基本组合：正常运行情况下可能同时出现的荷载组合，需保持建筑物功能正常有效，安全度较高(表)。2.施工、检修组合：在施工期和检修时间出现的荷载组合，也需保持建筑物功能正常有效。3.特殊组合：在偶然作用下的荷载组合，即使不能正常使用，但仍需一定的安全度，不能整体失效，如溃坝等(表)je 2.4.0第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性©设计建筑物的首要前提：明确评判设计方案的标准©设计方案的基本要求：实用、经济、安全工程问题社会问题经济问题j0 第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性2.4.1一、水工建筑物失事统计统计历史14000座高于15m的坝：1%©大坝破坏率：统计近代的坝：0.2％©大坝失事原因统计：失事原因所占比例失事原因所占比例地基及周边渗漏16％温度裂缝6％地基失稳15％蓄放水控制不当5％洪水漫顶12％冰融作用4％坝体集中渗流11％运用不当4％浸蚀水、穴居动物9％波浪作用2％地震6％原因不明10％y 第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性2.4.1一、水工建筑物失事统计©大坝失事期间：一半失事集中在施工期和使用初期,表明设计缺陷很快暴露表2-6坝在不同时刻发生事故或失事所占百分比事故或坝型事故或失事发生时间失事施工中第一次蓄水建成5年内建成5年后不清楚混凝土及2.64.64.211.710.8事故砌石坝(2013土石坝6.910.511.920.016.8件)混凝土及2.811.13.73.70.9失事砌石坝(108座)土石坝13.915.713.030.54.7j1 第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性2.4.2二、安全储备©设计标准明确规定：建筑物设计必需具有一定的安全储备©安全储备的表示方法：1.单一安全系数法：我国现行采用2.分项系数极限状态设计法：国际采用j2 第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性2.4.3三、极限状态©㈠极限状态的定义当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，结构就不能满足设计规定的某种功能要求，那这一特定状态就叫该功能的极限状态©㈡极限状态设计分类1.承载能力极限状态当出现①刚体失去平衡,②材料强度不足而破坏,③结构失稳,④结构转变为机动体系,⑤结构体产生渗透失稳等现象时，表明结构已超过承载能力极限状态，已不安全。2.正常使用极限状态当出现①影响结构正常使用或外观变形,②不良振动,③局部损害等现象时，表明结构已超过正常使用极限状态，不能正常使用。y 第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性2.4.3三、极限状态©㈢结构功能函数Z=R−S功能函数作用效应结构抗力©㈣极限状态方程Z=R−S=0j3 第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性2.4.4四、设计准则©㈠水工建筑物事故或失事的主要因素¾①作用的不利性变异：实际值>设计值¾②抗力的不良性变异：实际值<设计值¾③状态方程表达不正确：抗力或作用效应的表达或计算错误©㈡单一安全系数法¾⑴表达式：S≤R/K¾⑵安全系数K考虑的因素：①结构的安全等级；②工作状况和作用效应组合；③结构受力特点和计算方法。¾⑶不足之处：①不同建筑物直接不可比较；②同一结构的不同破坏状况之间不可比较。y 第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性2.4.4四、设计准则©㈢分项系数极限状态设计法¾⑴理论基础：基于概率原理的结构可靠度分析理论¾⑵失效概率：不能完成预定功能的概率。p=P[Z=R-S<0]f¾⑶可靠度：能完成预定功能的概率。p=1-psf¾⑷分项系数：考虑不同因素变异性来源的系数。•①结构重要性系数γ：01.1(Ⅰ级结构安全级别)γ0=1.0(Ⅱ级结构安全级别)0.9(Ⅲ级结构安全级别)y 第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性2.4.4四、设计准则¾⑷分项系数：考虑不同因素变异性来源的系数。•②作用分项系数γ：γ=F/F(下标d为设计值，k为标准值)，如FFdk水压力、浪压力、泥沙压力、自重取1.0，扬压力取1.4……•③材料性能分项系数γ：γ=f/f(注意分子分母的下标)，如砼与地ffkd基间摩擦系数取1.4，内聚力取2.4，砼抗压强度取1.4……•④设计状况(工作状况)系数ψ：1.0(持久状况)ψ=0.95(短暂状况)0.85(偶尔状况)•⑤结构系数γ：反映结构及计算方法的不确定性，如抗滑稳定校核取d1.2，坝趾应力校核取2.4……。y 第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性2.4.4四、设计准则¾⑸极限状态设计式：•①承载能力极限状态设计式：材料性能设计状况系数作用设计值设计值1γψS()F,α≤R()f,α0dkdkγd结构重要性系数结构几何参数结构系数标准值∑注意系数的位置和参数的下标y 第二章水工建筑物设计综述§2.4水工建筑物的安全性2.4.4四、设计准则¾⑸极限状态设计式：•②正常使用状态设计式：作用标准值材料性能标准值cγS()F,f,α≤功能限值0kkkγ如应力、变形等d结构重要结构几何参数性系数标准值结构系数∑设计状况系数ψ、作用分项系数γ、材料性能分项系数γ均为1.0Ffje 第二章水工建筑物设计综述§2.5水工建筑物的可靠度分析2.5.0∑必需认识到：结构都不是100%安全的。从可靠度p或失效概p率反映。sfp＋p＝1sfj0 第二章水工建筑物设计综述§2.5水工建筑物的可靠度分析2.5.1一、概率函数2©正态密度函数：1⎛(x−μ)⎞p(x)=exp⎜−⎟⇒N()μ,σ⎜2⎟2πσ⎝2σ⎠©标准正态密度函数：(μ=,0σ=)121⎛x⎞p(x)=exp⎜−⎟⇒N()1,0⎜⎟2π⎝2⎠一般正态标准正态y 第二章水工建筑物设计综述§2.5水工建筑物的可靠度分析2.5.1一、概率函数2u1⎛(x−μ)⎞©正态分布函数：P(u)=exp⎜−⎟dx∫−∞⎜2⎟2πσ⎝2σ⎠2©标准正态分布函数：u1⎛x⎞Φ(u)=∫−∞exp⎜⎜−⎟⎟2π⎝2⎠标准正态一般正态y 第二章水工建筑物设计综述§2.5水工建筑物的可靠度分析2.5.1一、概率函数©对数正态分布函数：2ulge⎛(lgx−μ)⎞P(u)=exp⎜−n⎟dx∫0⎜22⎟2πσxσnn⎝⎠⎧21⎛σ⎞⎪μn=lgμ−lg⎜⎜2+1⎟⎟2⎝μ⎠⎪⎪2⎨⎛σ⎞⎪lg⎜⎜2+1⎟⎟⎝μ⎠⎪2σ=⎪n⎩ln10lgx对数正态j1 第二章水工建筑物设计综述§2.5水工建筑物的可靠分析2.5.2二、函数标准化©正态分布函数=>标准正态分布函数x−μ令：t=⇒x=σt+μσ2u1⎛(x−μ)⎞P(u)=exp⎜−⎟dx⇒∫−∞⎜22⎟2πσ⎝σ⎠P(∞)=Φ(∞)=1u−μ21⎛t⎞⎛u−μ⎞P(u)=∫σexp⎜⎜−⎟⎟dt=Φ⎜⎟−∞2π⎝2⎠⎝σ⎠1-∑1-Φ(β)=Φ(-β)标准正态j2 第二章水工建筑物设计综述§2.5水工建筑物的可靠分析2.5.3三、分位值©分位值α——小于和等于标准值或设计值的概率¾抗力取偏小的分位值作为标准值，如0.05％。¾作用取偏大的分位值作为标准值，如95％。¾例：摩擦系数μ＝1.0，σ＝0.22。不同的分位值具有不同的标准值ff分位值标准值0.20.8200.40.9450.51.000∑变异系数=σ/μ∑可靠指标=μ/σj3 第二章水工建筑物设计综述§2.5水工建筑物的可靠分析2.5.4四、功能概率函数©功能表达式：Z=R-S©功能概率函数：2Z1⎛()x−μ⎞⎛Z−μ⎞P(Z)=exp⎜−Z⎟dx=Φ⎜Z⎟∫−∞⎜2⎟⎜⎟2πσ2σZ⎝σZ⎠Z⎝⎠©失效概率pf：⎛⎜μZ⎞⎟p=P(Z<)0=Φ−f⎜⎟σ⎝Z⎠©可靠度ps：⎛μZ⎞⎛μZ⎞p=P(Z≥)0=1−p=1−Φ⎜−⎟=Φ⎜⎟sf⎜⎟⎜⎟σσ⎝Z⎠⎝Z⎠22∑μ=μ−μ,σ=σ+σZRSZRSj4 第二章水工建筑物设计综述§2.5水工建筑物的可靠分析2.5.5五、可靠度简例©已知：受拉杆件抗拉力应力强度(抗力)遵循N(47.12,3.96)©已知：所受拉力(作用)遵循N(29.90,4.48)，单位：MPa©问题：分析杆件的可靠度？已知：μ=47.12,σ=.396;μ=29.90,σ=.448RRSS22⇒μ=μ−μ=17.22,σ=σ+σ=.598ZRSZRS⎛μZ⎞⎛17.22⎞⇒pf=Φ⎜⎜−⎟⎟=Φ⎜−⎟=Φ()−.288=.0001988⎝σZ⎠⎝.598⎠⇒p=1−p=1−.0001988=.0998012sfμ47.12R中心安全系数K===.15760μ29.90Sje 第二章水工建筑物设计综述§2.6水工建筑物的优化设计2.6.1一、传统设计方法©据经验确定建筑物布置、形式→估算截面尺寸→水力学方法校核过流能力、结构分析方法计算作用效应→是否满足预定要求→不满足则重新拟定、重新计算，如满足则进一步优化。©但优化的方案有限，难以达到最优化的设计。j1 第二章水工建筑物设计综述§2.6水工建筑物的优化设计2.6.2二、优化设计方法©优化设计方法：采用数学模型，编制优化设计程序软件，从所有可能的方案中选择一个最满意的设计方案。归结为数学中的极值解法。©技术可行：©目标函数：评判设计优劣的指标，如工程量最省……©约束条件：规定应满足的条件，如需满足泄洪能力、发电量…je 第二章水工建筑物设计综述§2.7水工建筑物的抗震分析2.7.1一、地震作用©描述地震释放能量的规模：里氏震级分一～九级。©表征地表运动的危害性：地震烈度分1～12级；6级以上为有害地震©基本烈度：一般是指某地区今后50年内可能发生的较大的地震烈度(中国地震烈度区划图)。©水库诱发地震：全球已有100例水库诱发地震，一般坝高>100m，库容>5亿m3时需考虑诱发地震。©峰值加速度：表征地震动态作用的强度，为地震设计的主要参数，如6级地震的a＝0.05g。j1 第二章水工建筑物设计综述§2.7水工建筑物的抗震分析2.7.2二、抗震设计表示场地地震©设计烈度：一般将基本烈度作为设计烈度。大于等于6级时才需设防，否©抗震设防等级：建筑物需要设防的最小地震烈度。则可不设防表示场地地震大于等于7级时才需要设防，否则可不设防y 第二章水工建筑物设计综述§2.7水工建筑物的抗震分析2.7.2二、抗震设计©地震系数：峰值加速度与重力加速度的比值。∑竖向地震系数取水平向的2/3©需专门研究地震作用的情况：①地震烈度>9级②地震烈度＝9级且高度≥250m第三章ce 表2-1水利水电工程分等指标表ha(公顷)=10000m2 表2-2水工建筑物的级别 泄洪闸泄流能力及消能试验模型 坝肩稳定结构模型 差分法求解河道流场的网格划分 有限元求解重力坝及坝基应力 将重力坝简化为悬臂梁∑P简化后，一般上2/3坝体的精度较高 各种作用效应组合下的荷载组合工作状况'