水工结构抗震分析及设计

水工结构抗震分析及设计

林秋华

昆明市水利水电勘测设计研究云南昆明650231

摘要：中国是地震频发的国家，地震带分布较广，在活动地块边界带上易发生较强的构造运动，进而发生地震，自1949年以来，我国发生过多次大地震，例如唐山大地震，汶川大地震，这些地方的大部分建筑物在地震前均被认为是低度地区，没有按照实际抗震要求进行设计，以至于伤亡惨重，造成巨大的损失。鉴于此，本文对水工结构抗震分析及设计进行分析，以供参考。

关键词：水工建筑物；地震；地震安全性评价；高坝

中图分类号：TV312文献标识码：A

引言

水利工程设计与施工中，了解到水工建筑物受力情况与地质条件的复杂性，地震发生时，水工建筑物的反应难以预测。本文综合汶川地震的研究，按照《水工建筑物抗震设计规范》内容进行水工建筑物的有设计，从而建立处合理化水工结构的抗震设防标准。

1地震安全性评价概述

水运工程地震安全性评价主要目的是评估所建设水工结构及其场地安全性或破坏概率，目前水工结构抗震设计参考的主要规范有《水电工程水工建筑物抗震设计规范》、《水运工程抗震设计规范》。最新的地震危险性概率分析法，是基于具体水运工程场地及其周边环境的地震地质条件、地球物理场环境、地震活动规律、现代地形变及应力场等方面深入研究的基础上，通过引入工程所需要采用的风险水平，有依据地给出相应工程规划或设计所需要的概率水准下的地震动参数和相应的资料。其中地震动参数主要包括加速度、设计反应谱，地震动时程等。根据水运工程建筑物的抗震级别不同，所需要进行的内容主要包括水工结构地震危险性的概率分析和不确定性分析、活动动断层鉴定、场地地震动物理参数的确定和地震地质次生灾害评价。其中地震地质工作是首要一环，探明水工结构场址区域的活动构造，以此确定潜在震源的位置、几何形状和最大震级[4]。而对于水工结构物的地震危险性概率分析则要获得对应的结构地震响应，如结构位移、弯矩和应力等。目前的分析方法有数学解析数值模拟和模型实验等。

2工程结构抗震设计的基本原则

2.1整体性

土木工程设计师要明确结构设计的根本目的就是提高工程建筑抵抗震灾影响的能力作用，这种抵抗性能必须是整体性的，而不能局限在结构部分区域上。所以要从整体结构把握入手，科学合理的设计规划工程结构，保证布局合理能够将不同结构之间联系到一起，增强相互的统一性和协调性，达到满足抗震需求的目的。

2.2抵抗性

众所周知，地震是一种破坏性极大的自然灾害，这种巨大损害也体现在建筑结构上。所以一直以来如何提高土木工程结构抗震设计水平都是设计人员的要点问题，也是社会各界高度关注的一个热点话题。这就要求设计人员要综合考虑结构的力学特征，利用结构设计提高整体平衡性，从而让建筑可以具备更高的震灾抵抗能力，发挥出土木工程结构抗震的意义和功能作用。

3水工建筑物抗震设计策略研究

3.1确定抗震设防水准框架

根据中外水工建筑物抗震设防水准差异分析得知，对于设防水准，除了加拿大、瑞士与英国等国家之外，各国家水工建筑物的抗震设防水准都参考了ICOLD要求，应用OBE与SEE两级设防。但我国却采用了设计地震的单级设防，只对尤为重要的建筑物进行两级设防。因此，建议我国水工建筑物的抗震设计中应合理确定其设防水准，结合设定的框架将水工结构的抗震设计作为重要任务。

3.2应用标准设计反应谱

在水工建筑物的抗震设计中，应用标准设计反应谱能够了解到地震动的衰减变化情况，反映出不同情况的地震等级与距离的地震动加速度反应谱规律。当前，水利工程设计人员只能根据强震记录内容，了解反应谱和地震级的规律变化，以此统计出地震反应谱与震级、距离的衰减变化关系，从中分析它们的相关性。

3.3了解混凝土动态力学性能

水工建筑物的抗震设计过程中，混凝土是建筑物的构造原材料，其动态抗压强度与抗拉强度、弹性模量就是水工混凝土建筑物结构动态力学的重要研究参数。其中，剪切受拉与弯曲受拉的强度是人们主要研究的对象。对于水工建筑物的抗拉强度，建议通过试件抗折测试得出混凝土弯拉强度，并参考国外相关试验数据，综合国外研究人员的测试经验，确定混凝土结构的弯拉强度。地震动对水工建筑物具有往复作用，水利工程施工中，应科学选择水工建筑物原材料，其动态抗压与抗拉强度与静态强度相比，应至少提升20%。此外，水利工程研究人员还应了解到水工建筑物结构对地震响应的复杂性特点，明确结构材料的塑性性能，对水工建筑物土石坝动力情况展开分析，统一模拟条件，确保分析结果与现实情况之前的差异缩小。

3.4进行土超孔隙水压力计算

在计算水工建筑物抗震设计中的超孔隙水压比前，应先落实液化触发系数，并将其定义为液化时实际与等效循环应力之间的比值。当水上回填土的顶高程为3.8m、底高程为0.5m时，水工建筑物墙后土体竖向有效应力与竖向总应力相同，为56.1kPa，水平剪应力为17.7kPa，二者比值为0.385。当水下回填土顶高程为0.5m，底高程为-10.0m时，水工建筑物墙后土体竖向有效应力为161.1kPa，竖向总应力为234.6kPa，水平剪应力为51.0kPa，比值为0.310.当地水利工程研究人员经调查，得知水工建筑物的回填土含砂量为15％，而标准贯入锤击数为15，经图中研究得出液化循环应力比为0.23。

3.5严格材料选择，保证结构抗震效能

目前，抗震性能良好的土木工程结构材料越来越多，将其应用到土木工程结构设计中，可以发挥新型材料环保节能、价格低廉、抗震性能极佳的优势作用，进一步强化土木工程结构抗震能力。因此，设计人员要积极选用先进的结构材料，结合钢筋混凝土结构现有的缺点和优点，合理使用新型结构材料，调整结构配筋率，从而增强工程结构抗震效能，同时减少工程材料成本投入，保质保量的完成工程建设，创收更多工程施工效益和社会效益。

3.6合理设计，加强结构分析与设计工作

设计人员要加强工程结构分析与设计工作，为了提高结构整体抗震效能，全面分析结构立面效果和平面效果，保证工程结构具有科学性，能够满足传力体系的设计需求，最大限度将设计偏差缩小。同时细致分析工程结构计算工作，结合建筑学原理、力学原理知识，利用先进的信息技术和计算机软件构建建筑虚拟结构模型，清晰呈现结构中的具体数据和参数信息，以便及时发现影响结构整体稳定性的设计问题，采取有效的调整完善措施，改进结构设计方案，提高抗震能力。

结束语

地震所带来的灾害是十分惨重的，所以我们应该重视工程抗震技术。对于水利工程而言同样重要，今后我们不仅要对地震频发地区按照相关的规定对水利工程构造物进行抗震设计，而且对破坏后果较为严重的重要水工建筑物也要提高抗震设计水平，并且在关键水利结构部位增设抗震构造，这样才能够提高水工结构物的抗震水平，把地震后的损失降到最低。

参考文献

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[4]游云川,冯振兴.城市曲线匝道桥地震响应分析及延性抗震设计[J].交通科技,2018(06):21-24.

[5]张公平,唐忠敏.浅析中外水工建筑物抗震设计标准主要差异[J].水电站设计,2018,34(04):29-33.