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水工混凝土结构抗震

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摘要:全面概述了中国水利水电科学研究院近50年来在水工混凝土结构抗震研究领域的主要创新性思路和成果的进展,包括其抗震安全评价的三个相互配套的方面。在地震动输入方面为:大坝抗震设防水准框架的制定、场址相关地震动参数的合理确定、坝址地震动输入机制的理解。在结构地震响应方面为:结构抗震的动力分析、结构抗震的动力模型试验、现场测振试验和地震监测、水工抗震设计规范的编制和修订。在大坝混凝土动态抗力方面为:大坝混凝土全级配大试件动态抗折试验、对试验结果的理论探讨、大坝混凝土三维动态细观力学分析、CT技术在混凝土动态抗力研究中的应用。阐述了研究群体形成的主要工作理念为:突出工程观点、强调全面综合评价、重视实践检验、发扬团队协作精神。最后,提出了今后研究的展望。

关键词:水工混凝土结构;抗震安全评价;地震动输入;结构地震响应;混凝土动态抗力

1研究的工程背景我国人均水资源极为短缺且时空分布又很不均匀,通过水库大坝等水写作论文工程建设,尽可能调节利用汛期洪水,对抗旱防洪都有重大意义。我国的水能资源位居世界之首,水电作为可再生清洁能源,在我国进入全面小康社会过程中,对改善我国以煤电为主的二次能源结构、减轻煤电造成的巨大环境影响及资源和运输紧张,起到无可替代的重要作用。因此,在充分重视生态和环境影响的前提下,积极有序的进行水库大坝建设是切合国情和经济社会发展所急需的,特别是我国大江大河的源头和水能资源集中在西部高山崇岭的陡峻河谷中,地形地质条件适宜于修建移民淹地相对较少而调节性能好的高坝大库。在高坝建设中,目前以混凝土坝为多,特别是我国西部在建和近期拟建的200至300m级的高坝,绝大部分取拱坝方案。我国大陆位于世界两大地震活动带之间,是一个多地震国家,是世界上地震灾害最为严重的国家。而西部地区是我国主要地震区,地震的强度和发震频度都很高,近代我国82%的强震都发生在该地区。修建于该地区的大坝设计地震加速度(ag)都很高,地震往往成为设计中的控制工况,诸如:锦屏(H=305m,ag=0·197g),二滩(H=240m,ag=0·20g),龙羊峡(H=178m,ag=0·23g),小湾(H=292m,ag=0·308g),溪洛渡(H=273m,ag=0·321g),白鹤滩(H=275m,ag=0·325g),龙盘(H=278m,ag=0·408g),大岗山(H=210m,ag=0·557g)等,这些工程都是高拱坝。因此,水工混凝土结构中的大坝的抗震安全一直是我国水利水电建设中的一个必须面对和急需解决的关键技术问题,当前特别是对高拱坝的抗震安全,尤为迫切。

2研究的历程在我国建国初期,水工混凝土结构抗震设计主要沿袭美国和前苏联采用的拟静力法。1959年广东新丰江大坝蓄水后频发地震,需要进行抗震加固。当时在黄文熙副院长倡导下,我院在结构材料研究所组建了抗震研究组,开始了水工混凝土结构抗震的研究工作。“文化大革命”后1978年与土工研究所有关抗震和爆破专业合并成立抗震防护研究所,1997年该所解散,成立了专门从事水工混凝土结构抗震研究的工程抗震研究中心,研究队伍由当时抗震组的不足10人发展至今的20人左右。近50年来,从新丰江大坝抗震加固开始,我院先后承担了我国各个重大工程的水工混凝土结构,特别是大坝的抗震科研任务,主持和负责了国家科技攻关项目、国家自然科学基金委员会重大计划项目及部级的重点项目。主动积极地在我国邢台、海城、唐山等各次大地震中及时赶赴现场,对水工建筑物的震害进行考察调研。在对工程抗震的研究实践中,逐步形成了包括水库地震和场址地震动输入、各类水工混凝土结构主要是大坝的动力分析和模型试验、现场测振和强震观测、混凝土材料动态特性等一整套系统、全面的研究体系;负责主编及修订我国《水工建筑物抗震设计规范》;建立了包括国内首台大型三向六自由度地震模拟振动台、微机群高性能并行计算平台、和筹建中的大型全级配混凝土动态试验机等设备的较先进完整的研究基地;培育了众多硕士、博士研究生和博士后研究人员和成长了一个以中青年为中坚的较稳定团结的科研群体。研究成果在工程中被普遍应用。先后获得国家级和省部级科技进步奖30余项,以及第一次全国科技大会先进集体、建设部颁发的全国抗震工作先进单位,近期由中国地震局、中国科学院、国防科工委、科技部、国家自然科学基金委联合颁发的全国地震科技工作先进单位。具有中国地震局颁发的甲级“建设工程地震安全性评价许可证书”。广泛开展了国际学术交流和协作活动,包括由美国自然科学基金委连续支持的、与国际知名学者RayW·Clough共同就拱坝抗震进行的长达20年的中美合作研究。积极参加国际学术会议,笔者在这些会上多次作特邀和主题报告,连续作为国际大坝委员会有关抗震的专委会成员近30年,近年来被选为专委会副主席迄今,参与主持和组织了首次在我国举办的第14届“世界地震工程大会”中为期一天的“大坝抗震”专门分会的工作。所有这些使我院抗震研究在国内外同行中具有一定影响。

3研究工作的主要创新性思路及进展水工混凝土结构抗震是涉及多种学科交叉的应用性边际学科,其分析依据的理论和求解方法,试验采用的仪器设备和测试方法,大多是在借鉴、吸收、和消化相关领域成果的基础上,进行集成再创新的。因此,首先力求对基本概念上深入理解和理清,并紧密结合本专业特点和要求,提出解决问题的开拓性思路,这是引领研究成果取得突破性进展的关键。当然,在思路付之实践的过程中,总需要作艰辛的探索和在实践检验中不断完善。鉴于工程结构的地震安全性评价都必须包括地震动输入、结构地震响应、结构抗力这三个不可或缺且相互配套的方面,现就我院在近50年来在水工混凝土结构,特别是大坝抗震研究工作中在这三个方面主要的创新性思路及其进展,分别简述如下。3·1在地震动输入方面工程的场址地震动输入是抗震安全评价的前提。多年来,在地震动输入方面的工作主要包括以下三个相互关连的内容,即:大坝抗震设防水准框架的制定、场址相关地震动参数的确定、坝址地震动输入机制。3·1·1大坝抗震设防水准框架的制定[1]在深入了解地震部门有关规定基础上,自行研发基于概率理论的地震危险性分析软件;经分析比较国内外有关规定导则后,结合我国国情和水工建筑物的特点和要求,建立和逐步改进了与功能目标相匹配的水工建筑物抗震设防标准的框架体系,先后被列入由我院主编在1978年颁布的我国第一本《水工建筑物抗震设计规范》和1997年颁布的其修编版中。鉴于近期在强震区修建的众多高坝大库,国内外都尚缺乏先例,为防止其发生溃坝的严重地震灾变,建议在准备修订的水工抗震规范中,对重要的高坝大库,应增加对坝址预期可能发生的最大可信地震、按不溃坝的性能目标进行校核的规定。我国西部重大工程存在近断裂大震的问题。基于概率法确定的最大可信地震,由于其所依据的基础资料中少有近场大震记录,外延至属于很小概率事件的最大可信地震,具有较大的不确定性。因此宜采用确定性方法求得设定地震。但现行确定性方法中将近断裂大震的最大可信地震作为点源处理有本水工混凝土结构抗震研究进展的回顾和展望陈厚群仅适用于V形河谷和三心圆坝型的局限性进行了改进和扩展,使之适用于多种河谷和坝型。其后又进一步拓展至能考虑沿坝基的不均匀地震动输入[11]。成为当时我国拱坝抗震设计中有限元法动力分析的有力工具。我国混凝土坝的抗震设计从传统的、不计地震动和结构动态性能的拟静力法分析,进入到了更符合实际的动力分析的阶段。拱坝历来被作为不规则壳体的整体结构,但随着我国在地震区众多高拱坝建设的发展,地震工况下的高拱向应力值,愈益成为设计中的难题。当时国外已开始注意到拱坝坝体中的横缝,在强震时会因不能承受拉力而反复开合,使之不再成为整体结构,从而高拱向应力将被显著释放。我们结合拉西瓦拱坝工程,在国内首次引进可考虑横缝张开的美国拱坝有限元法动力分析程序ADAP-88,并对其中的因考虑横缝设有键槽而不能滑移的假定,作了可按摩尔-库仑准则滑移的改进,使之更符合有键槽横缝在张开时仍可能滑移的实际情况,在修正了其中一些差错后,首次实际应用于我国拱坝工程抗震设计中[12]。应当说,这对高拱坝抗震设计是具有突破意义的进展。拱坝抗震设计也更进一步从线性发展到非线性的动力分析。但该方法中采用边界弹簧处理横缝接触问题,不能完全满足接触条件,且以动态子结构法迭代求解的工作量也较大。

无论是采用取伏格特(Vogt)地基系数的试载法或取无质量地基的有限元法求解,都只能计入地基的弹性影响并作为封闭的振动体系求解。而对于大体积的混凝土坝,随着坝高的增大,坝体-地基-库水间的动力相互作用已愈显重要,不能被忽略。大坝的结构与地基相互作用主要体现在振动能量向远域地基逸散和沿坝基地震动输入的不均匀性以及与之相应的地基边界条件和地震动输入机制的确定。为此,在20世纪90年代,我们和我国学者廖振鹏院士协作,有效应用其提出的人工透射边界体现大坝地基辐射阻尼的影响[13]。同时,为避免ADAP-88程序存在的诸多问题,在和刘晶波教授协作下,应用其提出的基于Lagrangian乘子的动接触理论处理接缝边界问题。在此基础上,自主研发了能同时计入各项更切合实际状况的因素的、在时域内作为波动问题显式求解的、完整有效的拱坝非线性动态分析的方法[14],其中同时考虑的因素包括:坝体-地基-库水间的动力相互作用、坝体和地基内接缝开合、近域地基内各类地质构造和远域地基辐射阻尼影响,以及沿坝基地震动的不均匀影响等。由于不需要形成总刚矩阵和可以递推求解,并解决了收敛和稳定性问题,显著地简化了计算并提高了其效率。此外,为了考虑在拱坝应力集中的薄弱部位的开裂,在这些部位设置了计入材料抗拉和抗剪的强度的接触缝面。这个方法和程序已在我国众多高混凝土坝,特别是高拱坝,实际工程的抗震设计研究中被广泛应用,并受到国际同行的关注。此外,为进行比较检验,还开发了国外采用的、以设置弹簧-阻尼器的边界模拟辐射阻尼、需输入包括边界应力、速度和位移的自由场地震动的相应程序[15]。库水对混凝土坝动态性能有重要影响。坝体-库水流固耦合问题的关键在于对库水可压缩性的考虑。已有研究表明,只有当坝体的自振频率(fd),库水的共振频率(fr)以及地震动加速度的卓越频率(fa)三者相互接近时,库水可压缩性导致的共振才有实质性的意义。当fa>fr时,由动水压力中的虚数分量所体现的能量逸散会导致反应减小。库水的第1阶共振频率可由fr=C/4H求得,其中C是水中音速,H则是水库平均深度,一般可取为最大水深的0·7倍。岩基的卓越频率约为5Hz。因此,我们的研究认为:对高度超过100m的拱坝,fa将大于fd、fr,加上并非刚性平坦的库底吸能和散射效应,使库水共振难以发生,特别对中国众多的多泥沙河流更是如此。实际上,在现场测振试验和大坝地震震例中,也还从未见库水共振的报导。所以,从工程观点看,库水可压缩性是可以忽略的,从而库水地震动水压力可以以坝面的附加质量形式体现。在库水不可压缩的前提下,我们通过白山拱坝模型试验,实测坝面动水压力和坝体满库频率,验证了坝体和库水流固耦合有限元模型求解的坝面动水压力值。进而发现并提出:将按Westergaard对刚性平面坝面公式换算得的附加质量折半,作为拱坝坝面附加质量进行计算的结果,无论是坝体前几阶满库频率和振型或坝面动水压力值都能和实测及用有限元模拟库水的结果较好符合[17]。这就使拱坝地震响应的动力分析简化了很多。这个建议已在我们为很多拱坝进行的动力分析和试验中得到应用和验证。拱坝坝肩抗滑稳定的校核对其抗震安全评价的首要问题。目前都仍把坝肩潜在滑动岩块作为刚体,将其与坝体分割开来,采用传统的刚体极限平衡法进行。这实际是一种不计坝体和地基动态变形耦水工混凝土结构抗震研究进展的回顾和展望陈厚群以期增强团队凝聚力。同时十分重视和有关单位的协作和国际交流,不断进行了扩大协作面的探索和努力,1990年成功争取为中国科学院系统内唯一的一个院外开放实验室。认真贯彻了“开放、流动、协作、联合”的指导方针,评估结论中被建议列入国家重点试验室建设系列。近年来,进一步遵循胡锦涛同志“产、学、研相结合形成科技创新整体合力”的要求,通过国家级支撑项目、部级创新项目和国家自然科学基金委员会的重点项目,紧密配合实际工程设计单位,联合河海大学和西安理工大学的有关单位,初步形成了相对固定的“产、学、研”相结合的创新团队,取得了统一规划、有机协作、资源共享、优势互补的明显效果。可以说,所有重大研究成果都体现了集体劳动和智慧的结晶,各类优秀人才也都是从团队中脱颖而出的。

5展望和结语近期我国将在强地震区建设一系列具有300m级高拱坝的重大水电工程。对这些高拱坝工程,国内外都既缺乏工程实践的先例,又无遭受震害的实例。而高坝大库一旦遭受强震发生严重破坏将导致不堪设想的次生灾害。在当前科研进展赶不于工程建设规模发展的情况下,必然存在一定风险。为此,设计人员、业主及社会都更加高度关注重大工程的抗震安全保障及严重地震灾变的应对。因此,在我们回顾和认真总结近50年来在水工混凝土结构抗震方面所取得成果的同时,也深感正面临严重挑战,要使科研进展适应工程发展需要,还存在着较大差距,任重道远、需警钟长鸣。首先,为应对严重地震灾变,在地震动输入方面要解决近断层大震的最大可信地震估计及其地震动参数的合理确定。需要基于能反映我国板内地震特点的强地震资料,进一步深入研究:沿发震断层断裂面的破裂拓展模式、震源地震动特性及其传播规律、回归位错、应力降等断裂参数与地震矩的关系式;合理考虑场址地形、地质条件的影响;探求主、余震的时空和强度规律、以及确定对不同发震断裂的最小避让距离。其次,在结构地震响应方面,需要深化研究:各类结构控制地震灾变的溃坝机理及其可定量化的性能目标;继续改进更能反映工程实况、损伤发展过程和率效应的非线性动力分析模型及其有效求解方法;大力推进高性能并行计算技术的应用及有自主知识产权的软件的研发和推广;突出解决混凝土坝体系动力模型破坏试验中的关键技术;加强对工程抗震措施及抗震设计规范修编的研究;逐步成为全国混凝土高坝强震资料观测分析研究中心。最后,在大坝混凝土动态抗力方面,为揭示大坝混凝土损伤演化规律,及为改进模型和确定相应力学参数提供依据,需要对全级配大坝混凝土及其组成介质、进行本构曲线全过程的试验研究;继续改进大坝‘数字混凝土’三维细观力学动态分析方法;深化CT图像分析和三维动态显示技术的研发;完善三向加载大型材料试验装置和其试验技术,建立与之配套的专用工业CT装置,以期对大坝混凝土内部结构及其动态损伤破坏机理和性能的研究能有新的提升和跨越。相信在领导支持和团队共同努力下,一定能再接再励迎接挑战,克服障碍,为重大工程的抗震安全保障及严重地震灾变的防止、为我院争取建立国家试验室和建成国际一流科研机构作出应有贡献。后记本文目的在于:值此50周年院庆之际,作为参与我院水工混凝土结构抗震研究发展全过程的一个成员,想以上述个人的认识和体会,与团队群体一起,在回顾总结的基础上,共同增强信心,认清差距,迎接新的挑战,继续攀登创新高峰;同时,也作为对在我们工作中长期给于关心和支持的各级领导的汇报,以及对院领导提出要尽快将我院建成国际一流科研机构号召的响应。不当之处,文责自负,并祈请批评指正。

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