淺談結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在水利工程抗震中的應(yīng)用

杜夢(mèng)潔

摘 要：水利工程是涉及到人民財(cái)產(chǎn)和安全的重要工程，是為消除水害和開(kāi)發(fā)利用水資源而修建的工程。在水利工程中存在有許多重要的水工建筑物，其結(jié)構(gòu)所受的荷載都具有不同程度的動(dòng)荷載性質(zhì)，有不少結(jié)構(gòu)主要在振動(dòng)環(huán)境下工作，因此需要研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。本文就水利工程存在的一些動(dòng)荷載的相關(guān)問(wèn)題，分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在水利工程抗震中的重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 水利工程 抗震

引言：

近年來(lái)，隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施，我國(guó)已建成或者正在建設(shè)高于100米大壩數(shù)量超過(guò)100座，且部分戰(zhàn)略性工程規(guī)模巨大，地震烈度較高。在地震高烈度區(qū)，抗震安全多為工程建設(shè)中的關(guān)鍵。因此結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用在水利工程建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

1.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的一個(gè)分支，著重研究結(jié)構(gòu)對(duì)于動(dòng)載荷的響應(yīng)（如位移、應(yīng)力等的時(shí)間歷程），以便確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力學(xué)特性，或?yàn)楦纳平Y(jié)構(gòu)的性能提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)同結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的主要區(qū)別在于它要考慮結(jié)構(gòu)因振動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力和阻尼力，而同剛體動(dòng)力學(xué)之間的主要區(qū)別在于要考慮結(jié)構(gòu)因變形而產(chǎn)生的彈性力。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，動(dòng)荷載的確定是一項(xiàng)重要而困難的工作。近年來(lái)發(fā)展的"載荷識(shí)別"是一項(xiàng)新技術(shù)，它根據(jù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作情況下測(cè)得的響應(yīng)資料反推結(jié)構(gòu)所受到的載荷資料。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中動(dòng)力荷載下所受的荷載比靜力學(xué)中的靜力荷載下所受的荷載要高，因此在大型工程中應(yīng)該著重研究結(jié)構(gòu)對(duì)于動(dòng)荷載的響應(yīng)，以便確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力學(xué)特性，或?yàn)楦纳平Y(jié)構(gòu)的性能提供依據(jù)。

2.水利工程的抗震問(wèn)題

水利工程作為以防洪灌溉、除害興利的目的而建造的工程，其規(guī)模大，投資多，技術(shù)復(fù)雜，工期較長(zhǎng)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合所方面因素考慮。其主體結(jié)構(gòu)大壩主要有土石壩和混凝土壩等。

土石壩在地震發(fā)生后可能震害：第一種情況是滑坡，唐山地震之后密云水庫(kù)出現(xiàn)過(guò)大規(guī)?；碌默F(xiàn)象；第二種情況是塌陷，如陡河土壩出現(xiàn)大壩嚴(yán)重塌陷；第三種情況是液化，其主要表現(xiàn)在砂土地基與建筑大壩的材料砂礫出現(xiàn)液化，在震動(dòng)過(guò)程中飽水的砂礫等材料會(huì)變成流沙向四周流動(dòng)，這樣大壩就完全失去了抗震的能力，大壩很可能在很快的時(shí)間內(nèi)垮掉；第四種情況是裂縫。面板堆石壩的防滲層可能出現(xiàn)裂縫或隆起；還有就是兩岸的壩頭可能產(chǎn)生山體滑坡。這些都是地震可能給土石壩帶來(lái)的破壞情況。

混凝土壩在地震發(fā)生后可能震害：主要表現(xiàn)為裂縫與兩岸壩肩滑坡。其主要出現(xiàn)的地帶是頂部裂縫和底部裂縫。裂縫出現(xiàn)的問(wèn)題就是漏水還削弱壩的整體穩(wěn)定所以一旦發(fā)生裂縫要及時(shí)處理、整修。據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，混凝土壩整個(gè)垮塌還是較少出現(xiàn)。但迄今混凝土壩真正遭遇極強(qiáng)地震考驗(yàn)的還較少。如1999年我國(guó)臺(tái)灣地震的時(shí)候，石崗水閘在地基斷層錯(cuò)動(dòng)后整個(gè)閘隆起來(lái)大約6～7米，整個(gè)壩體都斷裂了。

水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的基本要求是，能抗御設(shè)計(jì)烈度的地震，如有局部損壞，經(jīng)一般處理仍可正常使用。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意：

（1）結(jié)合抗震要求選擇有利的工程地段和場(chǎng)地。

（2）避免地基失效和靠近建筑物的岸坡失穩(wěn)。

（3）選擇安全、經(jīng)濟(jì)、合理的抗震結(jié)構(gòu)和工程措施。注意結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位。

（4）從抗震角度提出對(duì)施工的質(zhì)量要求和措施。

（5）考慮震后便于對(duì)遭受震害的建筑物進(jìn)行檢修，能適時(shí)降低庫(kù)水位。

設(shè)計(jì)烈度高于Ⅸ度的水工建筑物，和設(shè)計(jì)烈度為Ⅸ度、高于250m的壅水建筑物，應(yīng)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行抗震研究?！?】

3.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在水利工程抗震中的應(yīng)用

通常人們使地震對(duì)水利工程減小破壞的措施主要是通過(guò)兩種途徑，即通過(guò)減小地震動(dòng)的輸入來(lái)使其控制在大壩能夠承受的范圍和通過(guò)改變大壩本身的性能來(lái)適應(yīng)或應(yīng)對(duì)地震振動(dòng)等來(lái)減小對(duì)大壩的影響，使大壩能夠承受住這種影響。地震的災(zāi)害給我國(guó)人民人身安全造成了嚴(yán)重的威脅，發(fā)生重大災(zāi)情的時(shí)候，大壩作為重大工程，它的安全穩(wěn)定顯得特別重要。因此，我們必須在一定的經(jīng)濟(jì)條件下，最大限度得限制和減輕大壩的地震破壞，從而保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全不受損害。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)所特有的特性，動(dòng)力結(jié)構(gòu)在地震時(shí)就會(huì)有一定的動(dòng)力效應(yīng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)的地震反應(yīng)加速度與地面運(yùn)動(dòng)的加速度有所不同，且結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)的地震結(jié)構(gòu)自震周期與阻尼具有一定的聯(lián)系。對(duì)動(dòng)力學(xué)方法的應(yīng)用可以對(duì)自由度彈性體系質(zhì)點(diǎn)的加速度反應(yīng)進(jìn)行求解，并求得不同周期的加速度反應(yīng)，并根據(jù)實(shí)際已有的數(shù)據(jù)給出合理的優(yōu)化方案。

如果我們仔細(xì)研究鋼框架結(jié)構(gòu)的非彈性地震反應(yīng)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)柱的軸向塑性變形會(huì)朝一個(gè)方向積累，進(jìn)而導(dǎo)致水平位移增大，從而加劇 P—Δ效應(yīng)。軸向力將減小撓曲為主的振型的自振頻率，而且將加大拉伸振型的自振頻率。運(yùn)用離散變量方法，對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行處理，用拉格朗日方程進(jìn)行一般性分析，以便考慮結(jié)構(gòu)的空間特性[2]。

結(jié)束語(yǔ)

水利工程是為了控制、利用和保護(hù)地表及地下的水資源與環(huán)境而修建的各項(xiàng)建設(shè)工程，其主要作用是防洪、灌溉、發(fā)電、供水等。水利工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的理論為工程安全性、穩(wěn)定性提供了重要的技術(shù)支撐，使得工程結(jié)構(gòu)整體的安全性能得到了保障。在對(duì)工程抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅需要對(duì)工程結(jié)構(gòu)的使用功能和使用年度進(jìn)行考慮，同時(shí)還需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全防震性能進(jìn)行考慮，并在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中充分對(duì)地震的來(lái)臨進(jìn)行模擬，要保證橋梁符合小震不壞、中震可修、大震不倒的原則[3]。為了做到以上的抗震要求，就要對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的基本原理和方法進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)，并運(yùn)用到水利工程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》DL 5073—1997

[2]劉旺.建筑結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的防震減震應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011，23（22）：312.

[3]王敬東，胡曉飛，董一丁.建筑結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的防震減震應(yīng)用研究[J].城市建筑，2013（18）：49.