余震对重力坝损伤破坏影响研究

2021-12-04李伟康

水利科技与经济 2021年11期

李伟康，崔笑

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.中国电建北京勘测设计研究院，北京 100024)

1 概述

一次完整的地震事件包括前震、主震及余震，据许多地震实测资料记载，强震过后短时间内往往会有大量余震的产生。在抗震研究初期，人们只研究主震对结构的破坏作用，但随着对抗震研究的不断深入，国内外多数学者开始注意到强余震对结构的损伤破坏有着重要影响。在20世纪80年代，Mahin最先选取实测主余序列对非线性单自由度体系进行动力分析，结果发现相比于单主震作用，主余震作用会增加结构的延性需求。Ludovico等[1]通过试验研究了余震对受损钢筋混凝土柱的作用，结果发现钢筋混凝土柱的刚度随延性系数的增加而急剧下降，残余位移角与屈服位移角有近似的抛物线关系。杨福剑、王国新等[2]选取了10条实测主余序列，从损伤耗能的角度研究了主余震对RC框架的影响作用，结果发现主余震作用下RC框架的损伤耗能平均值相比于单主震作用下的RC框架的损伤耗能平均值增幅近30%。于晓辉等[3]基于动力增量法对一个5层钢筋混凝土框架进行了实测主余序列及人工主余序列影响研究，结果发现基于随机法构造的人工主余序列会对混凝土框架造成更明显的损伤破坏，使用余震和主震的峰值加速度比能对余震作用下的增量损伤进行较为准确的预测。基于目前重力坝抗震分析中往往只考虑主震的作用而忽视了余震对重力坝损伤破坏产生的影响，本文以Koyna重力坝为研究对象，对比研究单主震以及主余震作用后的坝体损伤区域分布、位移以及损伤耗能情况，为重力坝抗震设计提供参考。

2 重力坝损伤模型的建立及验证

2.1 工程概况及有限元模型

Koyna重力坝坝高103 m，坝基底部和坝顶宽分别为70.2和14.8 m，坝前水位91.75 m(图1)。有限元模型见图2。地基范围为上下游、深度方向地基各取1.5倍坝高。模型中防渗帷幕中心线距坝体上游面7 m，帷幕深度为1/2坝前水位高度，取45.5 m。坝体设为塑性损伤材料，坝基为线弹性材料。

图1 坝体-库水坝基尺寸示意图

图2 Koyna重力坝有限元模型

计算采用的坝体混凝土、基岩材料参数见表1和表2，防渗帷幕取值与坝体混凝土相同。

表1 坝体混凝土材料属性

表2 基岩材料属性

2.2 损伤模型的验证

为了验证建立的Koyna重力坝损伤模型的正确性，将本文计算出的Koyna重力坝损伤破坏情况与前人的实验结果进行对比验证。同时输入水平向峰值加速度为0.474 g和竖向峰值加速度为0.312 g的Koyna实测地震波(图3)。在截断边界处施加黏弹性人工边界[4]，以防止地震波发生反射。

图3 Koyna实测地震波

由图4和图5中可以看出，Koyna重力坝损伤区域出现在坝踵及坝体下游折坡处。地震结束时，坝体折坡处附近形成上下游贯通的裂缝，坝体从坝踵位置沿坝基交界面进行开裂，计算结果与文献[5]实验结果接近，可以验证本文建立的Koyna重力坝损伤模型的正确性。

图4 Koyna损伤分布图

图5 Koyna模型试验结果[5]

3 主余震对重力坝损伤破坏影响分析

人造主余震时程曲线见图6，水平向主震峰值加速度为0.316 g。根据文献[5]可知，余震峰值加速度与主震峰值加速度的比值PGA=0.852 6，竖向峰值加速度取为水平向峰值加速度的2/3。本文主震持时取为31 s，余震持时取为22 s，主震与余震中间间隔10 s，总时长63 s。为了防止地震波反射，需要在坝基模型的远端节点建立合适的边界条件。本文通过在坝基截断边界处设置黏弹性边界[4]，来模拟远域地基辐射阻尼对地震波的影响，并基于时程分析法分析了主余震作用下的重力坝损伤破坏情况。

图6 人造主余震时程曲线

3.1 主余震对坝体损伤区域的影响研究

图7为重力坝在遭受单主震及主余震作用下的坝体损伤区域分布图。其中，图7(a)为单主震作用后的坝体损伤区域分布图，可以看出单主震作用下坝体在下游折坡处和坝踵位置产生了损伤破坏。图7(b)为主余震作用后的坝体损伤区域分布图，可以看出坝踵损伤区域变化不明显，坝体在下游折坡处的损伤区域进一步向上游方向发展，说明余震对坝体的损伤破坏产生了一定的影响。