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1、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=0.25的启示,4,1.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,6,失效概率为 ()为标准化正态分布函数；为可靠度指标,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
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,8,设计的精度取决于应力和强度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。,9,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,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 -
3、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,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,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
4、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。,13,2.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,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。,15,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,16,表3 水利拱坝规范 粘
5、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,17,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。,18,3. 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
6、 土石坝和水闸遭遇地震时最小抗滑稳定安全系数,19,级建筑物K=1.10到、级建筑物K=1.05，其变幅只有5 . 对于级建筑物, =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.,20,4. 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。,
7、表5 某特高拱坝抗滑稳定分析成果（偶然组合）,21,5折减系数=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) 度地震 ,1960年前， =0.1g, =1.0 1960年后，工业民用建筑物抗震设计中取 =0.40g 水工建筑物，=0.40g，=0.25,22,（1）按 设防的水坝，、度地震无严重损害。 （2）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
8、，并无实质意义,23,6.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=1.101.05,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=114m,29,图7谷关拱坝(单位：m),H=85
9、.1m,30,图8德基拱坝(单位：m),H=181m,31,表1 国内外已建混凝土坝震害简表,32,表1 国内外已建混凝土坝震害简表,33,表1 国内外已建混凝土坝震害简表,34,图3 结构荷载,Q1平时，Q2地震,35,房屋、桥梁： 安全系数 1.82.0 混凝土坝： 安全系数 3.04.0,36,图4 算例，混凝土重力坝,37,38,图5 算例2混凝土拱坝（高程单位：m）,39,40,41,平时巨大水平推力 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
10、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=1.3Ee Ed Es,45,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,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 （sustained elastic modulus） （7） 持续弹性模量与瞬时弹性模量的比值为 （8）,48,持续弹性模量与瞬时
11、弹性模量的比值 荷载 加荷龄期 持荷时间t- 自重 =03年 t- = 水压 =15年 死水位以下， t- = 死水位以上，0若干年 稳定温差 =0.53年 t- = 水压 =0 t-=1/2年,49,美国垦务局建议通过试验求瞬时弹性模量和持续弹性模量。在缺乏试验资料时，建议取瞬时弹性模量Es=34.5MPa，持续弹性模量Ee=20.7MPa，re=20.7/34.5=0.60。,50,混凝土动态弹性模量 图2 应变速率对混凝土抗压强度及弹性模量的影响,51,图3 Ed/Es与fd/fs的关系,52,施工期温度应力及全过程仿真计算 （9） 运行期静态变位和应力计算 持续弹性模量Ee （10）
12、（常态混凝土） （碾压混凝土） 混凝土坝抗地震计算 动态弹性模量 （11） 动态弹模比rd=1.15,53,混凝土坝抗震设计与计算中弹性模量取值问题及其影响 水工建筑物抗震设计规范DL5073-1997第4.6.1条规定“混凝土动态强度和动态弹性模量的标准值可较其静态标准值提高30%” 瞬时弹性模量Es 持续弹性模量Ee 实际上广泛采用持续弹性模量的1.30倍 Ed=1.3Ee=1.30.60Es=0.78 Es （13） Ed=1.15Es （11） Ed偏小47.4%,54,动态弹性模量偏小47.4%，对抗震设计的影响 （1）动态变位偏大47.4% （2）坝的自振周期偏大约21.4% T （15） （3）地震荷载偏小19.1% 设计反应谱 （16）,55,结语,（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=1.101.05,多项系数法无法应用。 （5）混凝土坝耐强震原因： 平时巨大水平推力 安全系数大 静荷载安全余度包住了动荷载 （6）远离活断层是首要抗震措施。 （7）目前混凝土动态弹模取值偏小，动态弹性模量偏小47%，动态变位偏大47%，坝的自振周期偏大约21%，地震荷载偏小19%,56,谢谢大家,57,58,
