水工建筑物抗震設計的幾點思考

□郝 領

（河南省水利勘測有限公司）

1 引言

水工建筑的構造較為復雜且埋藏較深，同時許多建筑物所處的地質條件較為復雜，使其經常會受到地下高水位、結構張力大、強地震干擾、水力結構不利等方面的影響，這在事實上為水工建筑物的設計工作造成了大量技術難點，對水工結構設計的技術水平提出了更高的要求。此外，地震不僅會對水工建筑物結構造成損壞，同時還對下游人民群眾的人身安全、健康生活等方面都造成了潛在的巨大風險。

在1990年之前我國的水利水電行業的建筑防震規范使用單一安全系數法。在1990年后由于國家有提升建筑抗震性能的需要，中國技術部門參考相關理論出臺《能源部門水力建筑抗震設計規范》，在這一規范中將單一安全系數法更改為多要素安全系數法，從而為水工建筑物抗震設計提供了更多技術支持。但是由于水工建筑物的抗震設計具有很強復雜性并且影響因素眾多，因此工程結構無論使用單因素還是多因素方法的安全系數法，其最終計算結果都必須與國內外的實際設計經驗相匹配。在20世紀90年代初期，由于當時有效設計樣本較少，一些工程科學家過分強調了可靠性理論在多要素安全系數法中的應用，實際設計過程中影響因素眾多，很難使用單一的可靠性理論直接準確計算出水工建筑物的安全系數。在這一前提下，多要素安全系數法可充分考慮水工建筑物水位、荷載組合和材料特性等因素帶來的影響，從而為水工建筑物抗震設計奠定良好的基礎。

2 水工建筑物抗震設計要點

2.1 注重遵循水工抗震設計規范

我國現行的《水工抗震設計規范》于1997 年修訂，這一修訂工作對于我國水工建筑抗震安全設計起到重要作用，有助于保持水工建筑工程的整體穩定性，同時避免因工程損壞而引起二次災害，有效滿足抗震設計要求。與此同時，自然災害給水工結構的抗震設計帶來許多新的影響和啟發，帶來更多創新性的設計。例如在發生自然災害時，經過預應力錨固處理的基臺巖體能夠基本保持穩定，而未經預應力錨固處理的水工建筑物無法保持穩定性，工程強度出現顯著下降。

2.2 自然災害對抗震結構要求

大量工程實踐證明，對于工程項目組而言工程結構的抗震設計是必不可少的，因此在地震應急預案中設計人員必須保證抗震結構的可靠性。此外，水利工程中的建筑物多處在氣候情況多變、天氣情況復雜和水文地質條件干擾性強的地方，在這種情況下進行施工和運行往往會造成很多額外的困難，而水工建筑本身也會受到水的推力、浮力、滲透力、沖刷力等的作用，這使得其運行環境相比其他建筑的運行環境更為復雜，因此設計人員必須考慮到潛在的自然災害風險，才能夠有效提升抗震結構等級，避免建筑在遇到自然災害后產生次生災害。

2.3 自然災害對綜合性設計的要求

2008年汶川大地震的地震能量的釋放在時間和空間上都非常不均勻。因此，為了讓水工建筑物可以應對這一級別的自然災害，設計人員在防震計算分析中必須考慮到每個水工建筑物的實際地形和地質條件影響，考慮到不同區域的水力結構很少相同，設計人員在設計時需充分考慮到不同建筑物間的實際差別，并以此為基礎調整工程設計參數。此外，由于許多地面運動難以提前計算，因此設計人員應當加強對地震斷層附近地面運動特性的研究工作，并在設計時更加充分的考慮到地震斷層、全斷層面破裂速度、破裂方式、破裂方向等因素的影響，并將這些因素結合起來進行綜合研究，以達到滿足抵抗自然災害的基本設計要求。

3 水工結構抗震設計的幾點建議

3.1 合理確定抗震水準框架

設計人員應當首先確定框架的使用需要，通常來說國外水工建筑物的抗震水準框架是根據美國標準中的地震動參數概念，最大設計地震（MDE）和基準地震（OBE）的兩個參數，以及水工建筑物的地震要求來進行設計。大量國內外水工建筑結構的抗震設計實踐表明，重復周期為100-200 a的OBE通常在設計中無法發揮良好控制作用。因此，設計人員在合理確定抗震水準框架時，應當明確防震性能定位，以使水工建筑能夠在遭遇到局部地震破壞后可以進行修復。而對于需要抗震保護的大型水工建筑物，設計人員必須進行特殊的地震安全框架設計，這一設計需保證水工建筑物在遭受極端地震破壞時，能夠保證該水工建筑物避免遭受毀滅性破壞，從而保證人類財產與生命的安全，降低二次災害出現的可能性，這就需要設計人員進行大量模擬實驗，以確保該抗震標準的絕對安全性。

3.2 精確測定水工建筑抗震數值

地面運動的最大加速度Amax是建筑物抗震設計時的基礎輸入最大加速度，其單位為重力加速度g（9.81 m/s2）或Gal（gal=10 mm/s2）。在這一前提下考慮到水工建筑是用特定材料來構建設計一個用于調控水流和配置水資源的建筑，因此其目標應該是選用合適的材料，采用合適的構建方法，保障建筑空間在可知及可預測的荷載作用下，其完整性受到破壞的概率低于一個可以接受的概率底線。這意味著水工建筑的抗震設計人員還難以從理論上對其做出總結和歸納。此外，當水工建筑物遇到罕見的強烈地震時，地震噪聲對水工建筑的平穩性產生影響。如果水工建筑的位置距離地震不到10 km 且地震烈度＞7 級，則設計人員應當研究近場大震中的發震斷層破裂過程，從而針對性的提升水工建筑的抗震數值水平。

3.3 提升水工建筑物剛度

在地震時水工建筑的結構會因振動而出現不穩定的情況，具體表現為水工建筑結構的扭曲變形。考慮到在同等地震烈度下水工建筑的剛度越高其受到地震力也越小，所以水工建筑的設計人員需要合理減少水工建筑本身的結構自重，從而節省建筑材料使用量，而且在增強建筑剛度的同時有利于水工建筑抗震，從而有效降低地震帶來的負面作用。

3.4 強化水工結構力學性能

強化水工結構力學性能對于增強水工結構的抗震能力有著很大的幫助。當前的水工結構抗震設計往往采取靜態計算方法來進行參數計算，這很難反映地震作用下水工建筑物的實際動態振動和動態力學性能，也無法準確計算水工建筑和地基上的動應力。通常來說混凝土的動態抗拉強度等參數多是通過對模型（試樣）進行全質量彎曲試驗而測得的。在這一前提下，設計人員為了強化水工結構力學性能，在對水工建筑的地震變形參數分析時，不僅需要進行準靜態計算分析，還應當使用有限元方法執行動態計算分析，以全面評估水工建筑結構的抗震性能。

4 結語

水工建筑物的張拉條件和邊界條件相當復雜，考慮到地震的情況本身也非常復雜，水工構造的設計人員首先需要嚴格根據《水力建筑抗震設計規范》等設計規則來進行設計，這有助于確保水工建筑物本身優秀的抗震能力。除此之外，考慮到水工建筑物使用的混凝土材料的動態性能，設計人員可以使用更合理的標準響應行為來創建合理的抗震水準框架與抗震密封框架，在此基礎上顯著增強水工建筑物的整體抗震性能。