关于水工建筑物抗震设计的几点思考.pptx
关于水工建筑物抗震设计的几点思考朱 伯 芳1培训专用第一部分：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2培训专用第一部分：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3培训专用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4培训专用 坝体应力：强度：状态函数：平均值：均方差：失效：5培训专用 失效概率为()为标准化正态分布函数；为可靠度指标 6培训专用、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7培训专用 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。8培训专用混凝土抗压强度 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9培训专用（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10培训专用抗滑稳定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11培训专用 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。12培训专用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 13培训专用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。14培训专用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15培训专用 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 3.503.253.00 3.002.752.50 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 3.172.882.59 3.012.742.46 2.692.452.20 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 3.152.922.70 2.702.472.2516培训专用 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。17培训专用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 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51.101.101.101.051.051.051.051.051.0518培训专用 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16.19培训专用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K2.70）935755 3334/6443 8769/7902 5.202.42 20培训专用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,=1.01960年后，工业民用建筑物抗震设计中取=0.40g 水工建筑物，=0.40g，=0.2521培训专用（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，并无实质意义22培训专用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。23培训专用第二部分混凝土坝耐强烈地震而不垮的机理24培训专用汶川大地震伤亡、失踪 87000人房屋、桥梁 大量破坏水坝 2380座 无一垮坝为什么？25培训专用石冈重力坝 图4 石冈重力坝（单位：m）26培训专用图5石冈重力坝破坏情况 27培训专用图6雾社重力坝(单位：m)H=114m28培训专用图7谷关拱坝(单位：m)H=85.1m29培训专用图8德基拱坝(单位：m)H=181m30培训专用坝 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1051962.3.191.1 6.1 8坝 体上部断面突 变处产 生水平裂 缝西菲 罗伊朗1967大 头坝1061990.6 327.3-7.7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1031967.12.103.0 6.3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1322008.5.128.0 7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31培训专用坝 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 21.4 1999.9.21 7.3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 132 2008.5.12 30 8.0 9 损 害 轻 微谷关 中 1961 拱 坝 85.1 1999.9.21 51 7.3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 181 1999.9.21 7.3水平0.40.5g坝 基渗水增加，渗出清水帕柯依 马 美 1928 拱 坝 113 1971.2.9 6.4 6.6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32培训专用坝 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 77 1971.2.9 32 6.6渗漏增大勃拉希溪 美 1970 拱 坝 65 1973 6.6渗漏增大吉勃拉塔 美 1920 拱 坝 50 1925.6.25 6.3 7渗漏增大拉比 美 1938 拱 坝 761947.11.137无 损伤巴洛沙 澳 1902 拱 坝 36 1954.3.1 5.5坝 体有裂 缝拉 贝 尔智利1968 拱 坝 112 1985.3.3 80 7.7 8顺 河0.31横河0.114g坝顶 裂 缝卡勃里 尔 葡 1954 拱 坝 136 1969.2.28 8 6无 损伤奥迪克塞拉葡 1958 拱 坝 41 1969.2.28 8 7渗漏增大帕特 多夫纳罗 1971 拱 坝 108 1977.3.4 6无 损伤维 德 阿吉斯罗 1965 拱 坝 167 1977.6.47.5无 损伤西里斯南非1953 拱 坝 24 1969.9.29 6.4 6.6开裂，漏水表1 国内外已建混凝土坝震害简表33培训专用图3 结构荷载 Q1平时，Q2地震34培训专用房屋、桥梁：安全系数 1.82.0混凝土坝：安全系数 3.04.035培训专用图4 算例，混凝土重力坝 36培训专用37培训专用图5 算例2混凝土拱坝（高程单位：m）38培训专用39培训专用40培训专用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41培训专用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42培训专用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43培训专用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 Es44培训专用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 45培训专用图1 不同龄期加载时混凝土的徐变柔量 46培训专用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）47培训专用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=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48培训专用 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。49培训专用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 50培训专用图3 Ed/Es与fd/fs的关系 51培训专用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）（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 52培训专用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=1.3 0.60Es=0.78 Es（13）Ed=1.15Es（11）Ed偏小47.4%53培训专用动态弹性模量偏小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）54培训专用结语（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%55培训专用谢谢大家56培训专用演讲完毕，谢谢观看！培训专用内容总结关于水工建筑物抗震设计的几点思考。2.单项安全系数法与多项安全系数法。为应力 的分项系数。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。其他3 个参数，资料都很少，不具备统计意义。-运行期温度场边界条件的变化（上游水位变化）引起的应力。（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。难以用来决定其统计分布和统计参数。（2）实际应力与计算应力有差别，非可靠度理论所能解决。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。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。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。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。级建筑物K=1.10 到、级建筑物K=1.05，其变幅只有5.。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.。4.单一安全系数法便于不同工程、不同方案的分析比较。Q1 平时，Q2 地震培训专用
