浅析混凝土重力坝抗震研究方法

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浅析混凝土重力坝抗震研究方法

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-26 1540


摘要:首先论述了重力坝原型观测的两种情况,其次简要概述了动力模型试验,最后论述了大坝抗震计算方法和重力坝的抗震特性,并对其参数设计值等进行了分析。关键词:混凝土重力坝;抗震;研究方法     通常重力坝抗震研究的方法有原型观测、动力模型试验和动力数值计算三种。在现场进行原型观测(包括实际震害调查)无疑是认识结构的动力性态最直接可靠的方法,也是验证动力模型试验和动力数值计算的重要依据,但由于地震振动的随机性以及观测点的广泛性,普遍实现比较困难,因而对重力坝抗震性能的研究多以动力模型试验和动力数值计算为主。  

  1、重力坝的原型观测  

  大坝动力特性的现场原型

鉴于复合土工膜部分现场观测成果合成材料在工程应用中具有一定的抗老化能力,故有些国家的某些文件中对其使用年限作了较为宽限的规定,如前苏联BCH07-74《土石坝应用聚乙烯防渗结构须知》中规定,聚乙烯土工膜可用于使用年限不超过50年的建筑物。奥地利林茨公司发表的“聚丙烯复合土工膜土工合成材料的长期性状”一文中的结论写道:“对聚丙烯的15年以上的现场应用经验表明,它们的化学和生物稳定性高;织物的最大损坏是在施工中;铺设以后没有大变化;……可预期超过100年的稳定性。

观测是对计算模型合理性的重要检验,也是安全评价的必要依据,同时还可以为计算模型的完善的改进提供参考,所以受到很多国家的重视。一般来说,现在的重力坝原型观测大体有两种情况:  (1)测定原体在爆破、地震或采用脉动源或其他迫振输入激励下的反应,对验证大坝系统的数学模型是十分有用的,尤其在反应的振幅不大时。特别是在考虑库水的可压缩性和库底淤砂的吸能效应,以及不均匀地震动输入机制及其地基辐射阻尼等因素的影响,原型观测几乎是验证所开发的分析方法的唯一手段。  (2)通过原型观测确定结构的自振特性,如自振频率、振型和阻尼特性。从原型观测识别结构的自振特性可以提供建立力学模型的依据。近些年来,我国开展了许多测定大坝振动特性和反应性能的现场振动测试工作,并取得了满意的成果。     2、动力模型试验     对混凝土重力坝这类复杂系统,在动力分析中不可避免地要引入不少简化和假定以及在参数选择上的一些不确定性,因此,需要通过动力模型试验,对计算过程进行修改和对其结果加以验证。  进行模型试验要遵照动力相似律,妥当选择模型材料,选择合适的几何比尺使试验中各种参数都能精确地量测到。动力模型试验大致有两类:一类是伪动力试验,通过模型测定坝体的各种振动特性如自振频率和各阶振型,然后通过反应谱理论推求可能的最大动力反应(或将求得的自振频率及振型用于动力分析中);另一类是用地震模拟振动台进行试验,将模型设置在地震模拟振动台上直接测定其在给定的地震运动下的反应。因此,地震模拟振动台必须能在一定精度范围内模拟地震引起的复杂的地面运动,且具有较大的载重能力和较宽的频响范围。在振动台面上修建模型坝,并施加各种波形,就可以在模型中重现地震运动,观测坝体的动力特性和反应,研究各种措施的效果,是十分方便和有效的工具。为此,我国建置了不少振动台,并广泛开展了满足各类要求的大坝动力模型试验。通过不少大坝的动力模型试验结果表明,尽管对复杂的坝体一库水一地基系统的数值模拟己取得了很大的进展,但动力模型试验在验证计算结果方面仍然是一个有力的手段,而且是研究开裂形态和重力坝的动态稳定的最好途径。     3、动力数值计算方法     依据所考虑的地震动特点,重力坝地震反应分析方法可以分为确定性方法和随机振动方法,确定性方法利用地震记录或其他方法确定的地震波进行大坝的地震反应计算;随机振动方法则把地震视为随机过程,把具有统计性质的地震动作用在大坝上求出大坝的反应。到目前为止,国内外的抗震设计规范绝大多数都采用确定性方法。大坝抗震计算方法可分为两类:一类是传统的最简单的所谓拟静力法;另一类是根据动力学原理考虑结构物在地震中实际动力反应的动力分析法,包括模态分析(又称自然振动模型分析),振型分解反应谱法,时程动力分析法(又称瞬态动力分析,时间历程分析,逐步积分法)等。     4、重力坝抗震特性:     地震因其破坏性大,我们在研究重力坝抗震方法中也需考虑其本身的性质。地震特征的数值叫地震参数,只要包括震源、震中、震级和地震波等。   4.1 重力坝地震设计参数   作为建筑物抗震设计标准,对建筑物场地可能发生的最大地面运动所做的规定,称为设计地震动。   4.2 重力坝地震加速度值的设计   目前主要有下列两种途径来确定结构的设计地震加速度的值:   (1)通过区域划分的途径。①从地区基本烈度出发,根据局部场地条件、建筑物的重要性和遭受震害的危害性,确定设计烈度。这是我国和多数国家目前所采取的途径。我国规范规定,一般采用基本烈度作为设计烈度。对于1级挡水建筑物,可在基本烈度基础上提高1度。在需要考虑施工期和空库情况的地震作用时,一般可比设计烈度降低1度进行抗震设计。根据烈度确定地震系数。②直接给出根据地质构造和地震情况划定的区域内的设计地震系数。   (2)从地震参数出发的途径。从震级、震中、震源深度等地震参数出发,通过地震影响场,确定工程场地的设计地面加速度。设计中常根据不同的设防要求,确定相应的地震震级标准。   4.3 设计地震加速度波形   按时程法进行动态设计时,必须确定设计地震加速度波形。表征地震加速度波形的三项要素是:频谱特性;有效峰值;持续时问。这些要素主要根据震级与震中距等地震参数、场地选择和结构动力特性而确定。   (1)频谱特性。地震波利用傅立叶积分求得的各谐波分量幅值和频率间的关系,称为频谱。谐波分量幅值的平方与频率的关系,称为功率谱,它反映了各谐波分量的能量特征。地震波的零阻尼速度反应谱是频谱的上限。这些谱都反映了地震波的频率特性。震级越大、震中距越远、地基越软而厚,则地震波频谱的长周期部分越相对增大。   (2)有效峰值。有效峰值加速度(EPA)指的是与地震动加速度反应谱最大值对应的水平加速度,目前国内还没有统一的EPA定义式。   (3)持续时间。地震波持续时间反映了地震作用的累计效应,在进行非线性动力分析时尤为重要。抗震设计的水平基于对地震时地面运动和混凝土坝动力特性的认识。如果对地面运动和坝的动力特性认识很少,就只能采用静力法,即规定一个设计地震系数,把坝体的各部分质量乘以这个系数,作为侧向载荷作用坝体以体现地震的影响。如果对地震时地面运动和坝体的动力特性了解较多,则可以采用反应谱法。   到现在为止,我国已经对几十座大坝做过比较系统的动力特性的研究在同一时期内,地震地面运动的观测台网也有了大量的增加,可利用的强震记录已经很多,但是由于地震的发震概率很低,地震波的传播过程又比较复杂,因此地震时地面运动预测的可靠性还比较低。从目前的情况,来看,提高坝的抗震设计水平的关键是提高对地震时地面运动的了解和预测能力。另外采用静力法或者基于反应谱理论的拟静力法,已经为高烈度区设计了大量的混凝土坝,它们在遭遇强震作用时的震害情况,也是检验、改善以往设计方法的重要依据。    参考文献:  [1]曾桂香,何耀民,基于ANSYS的碾压混凝土重力坝抗震性能分析,2007,23  [2]程尧平,混凝土重力坝整体抗震安全性研究[D],天津大学:硕士学位论文,2008  [3]陈雯,李昕,周晶,混凝土重力坝整体动力特性研究,世界地震工程。2008 4


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