刘昌航

【摘要】本文首先对水工混凝土结构抗震设计进行研究，逐个分析设计地震烈度、水库诱发地震、混凝土动力特点、结构模型试验、原型振动试验以及混凝土重力坝自振周期进行估算等方面，最后对水工混凝土结构抗震研究进展进行探讨。

【关键词】水工；混凝土；结构；抗震；安全；

1、引言

随着社会经济的快速发展，我国水利水电工程也取得巨大进步，尤其是近些年我国西部建设了许多大型水利水电工程，处于强震区的工程必须要考虑抗震设计，在水工建筑物抗震设计方面也积累一定工程实践经验，也出现了很多新的问题。自1997年以来颁布了《水工建筑物抗震设计规范》，为水工建筑物抗震提供相关标准和规范，但是我国对于水工混凝土结构抗震方面依然存在诸多关键技术无法突破的难题，对水工混凝土结构抗震进行研究和探讨具有重要意义。

2、水工混凝土结构抗震设计

目前而言，有关水工混凝土结构抗震研究主要集中在以下几个方面的问题：

2.1设计地震烈度

有关设计地震烈度，有两种看法：一是地震荷载是一种常态，需要对水工结构安全进行复核，对水工混凝土坝要根据地面加速度为0.1g进行校核；二是认为混凝土动态抗拉、抗压强度在增大的前提下，地震发生地基吸收能量，所以混凝土坝的实际抗震能力不必按照线性弹性分析的结果进行，因此也几乎没有多大破坏力。比如美国下水晶泉曾发生8.3级大地震，但是坝体几乎没有受到任何破坏。经过分析和计算认为，拱坝的抗震性能最佳，其次是重力坝，然后是支墩坝。

然后对分区地震烈度进行划定，按照地区历史地震情况以及地址构造等，对未来有可能发生的最大地震进行划分；最后进行地震应力分析，需要借助计算机对参数进行计算，一些复杂的结构进行简化，不仅要对地震资料进行分析，而且要选择科学合理的计算方法，并且对材料动力特性进行研究。

2.2水库诱发地震

水工混凝土进行建设时需要对诱发地震的可能性进行仔细研究，假如附近曾经发生地震，那么水库蓄水后地震活动的频度和烈度要高于正常水平，震源也在附近。地震活动和水库的水位存在一定关系，如果水库的深度大于一百米时则诱发地震比较显著，水位增加速度和持续时间都是重要影响因素。

2.3混凝土动力特点

混凝土强度和加载速度有很大的关系，根据变形率进行计算，段十年内发生剧烈应力变化，强度会有明显提高。加载速度是1s或者是经过几个小时的破坏，混凝土强度相差30%，混凝土短期抗压强度得到提升，这一点和其塑性变形有关。正常而言，混凝土强度和时间呈现出线性关系。相关设计规范中标明水工抗震规范影响系数可以取值为1，对结构强度进行计算，水工混凝土结构的抗拉强度安全系数可以取值稍大于1，因为其中需要考虑到动力荷载作用。

2.4结构模型试验

模型比例大部分情况选择1：100，模型上选择激振器进行激振，也可以将其放置在振动台上，如果上游有水库，则模拟时水库长度必须要是其深度的3倍以上，模型材料容重要求和实际情况一致，容重是2.4t/m?，模型和原型的应变比例，模型材料是石膏，性能比较可靠，其变形接近混凝土，便于加工。

2.5原型振动试验

一般而言，混凝土水工结构抗震设计研究需要进行原型振动试验，以此掌握水工混凝土结构的自振特性，比如振型、频率以及阻尼比等，然后和工程数据进行复核。激振方式包括强迫力激振和自由衰减振动激振。

2.6混凝土重力坝自振周期进行估算

一般而言，混凝土重力坝自振周期是水工混凝土结构抗震研究的前提，有关混凝土重力坝自振周期计算公式有以下几种：

（1）克希荷夫公式

比如，湖南镇水电站混凝土梯形坝的自振周期进行计算，其参数是H=130m，B=115m， =2.4t/m?，E=2500000t/㎡，计算 为0.295s。经过模拟实验结果为0.293s，结果比较接近。

3、水工混凝土结构抗震研究进展

水工混凝土结构抗震研究涉及诸多学科，相关理论、公式、计算方法、仪器设备等都是以工程实践理论为前提进行集成再创新，目前而言水工混凝土结构抗震主要集中在地震动输入、结构地震响应以及结构抗力三个方面。

3.1 地震动输入

水工混凝土结构抗震中地震动输入是基础研究工作，具体包括大坝抗震设防水准框架进行制定、场址地震动参数进行确定、坝址地震动输入机制。其中，大坝抗震设防水准框架的制定涉及到概率论方法，结合我国实际国情，以及水工混凝土结构特点，建立和完善的相关标准框架体系，其中需要考虑接近断裂大震、水库地震等问题。

3.2 结构地震响应

结构地震响应是水工混凝土结构抗震研究的重中之重，一般而言是通过理论分析和公式计算，然而要考虑到的是地震和水工混凝土结构过于复杂，尽量利用室内外试验，或者是现场实测进行校核和验证，还可以通过震害工程实例，以及强震观测记录进行校验。其中，涉及到结构抗震动力进行分析；结构抗震的动力模型试验；现场测振试验以及地震监测；水工抗震设计规范等。

3.3 大坝混凝土动态抗力

水工混凝土结构抗震在大坝混凝土动态抗力方面的研究相对而言比较少，这是研究中较少覆盖的一个方向。水工混凝土结构动态抗力研究主要集中在大坝混凝土全级配大试件动态抗折试验、大坝混凝土动态损伤机理、大坝混凝土三维动态细观力学分析、CT技术应用等方面。

4、结语

总而言之，我国对水工混凝土结构抗震研究还存在诸多问题，一方面缺乏工程实践案例，另一方面一些关键技术也难以攻克，在目前抗震研究追不上工程建设规模和发展的前提下，水利工程建设依然存在较高的风险。所以，我们要加大对重大工程抗震安全保障的应对，认真分析過去在水工混凝土结构抗震研究中取得的经验，总结经验、克服障碍，为抗震安全保障提供支持和帮助。

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