摘要：首先論述了重力壩原型觀測(cè)的兩種情況，其次簡(jiǎn)要概述了動(dòng)力模型試驗(yàn)，最后論述了大壩抗震計(jì)算方法和重力壩的抗震特性，并對(duì)其參數(shù)設(shè)計(jì)值等進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：混凝土重力壩；抗震；研究方法
通常重力壩抗震研究的方法有原型觀測(cè)、動(dòng)力模型試驗(yàn)和動(dòng)力數(shù)值計(jì)算三種。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原型觀測(cè)(包括實(shí)際震害調(diào)查)無(wú)疑是認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性態(tài)最直接可靠的方法，也是驗(yàn)證動(dòng)力模型試驗(yàn)和動(dòng)力數(shù)值計(jì)算的重要依據(jù)，但由于地震振動(dòng)的隨機(jī)性以及觀測(cè)點(diǎn)的廣泛性，普遍實(shí)現(xiàn)比較困難，因而對(duì)重力壩抗震性能的研究多以動(dòng)力模型試驗(yàn)和動(dòng)力數(shù)值計(jì)算為主。
1、重力壩的原型觀測(cè)
大壩動(dòng)力特性的現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)是對(duì)計(jì)算模型合理性的重要檢驗(yàn)，也是安全評(píng)價(jià)的必要依據(jù)，同時(shí)還可以為計(jì)算模型的完善的改進(jìn)提供參考，所以受到很多國(guó)家的重視。一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的重力壩原型觀測(cè)大體有兩種情況：
(1)測(cè)定原體在爆破、地震或采用脈動(dòng)源或其他迫振輸入激勵(lì)下的反應(yīng)，對(duì)驗(yàn)證大壩系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是十分有用的，尤其在反應(yīng)的振幅不大時(shí)。特別是在考慮庫(kù)水的可壓縮性和庫(kù)底淤砂的吸能效應(yīng)，以及不均勻地震動(dòng)輸入機(jī)制及其地基輻射阻尼等因素的影響，原型觀測(cè)幾乎是驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的分析方法的唯一手段。
(2)通過(guò)原型觀測(cè)確定結(jié)構(gòu)的自振特性，如自振頻率、振型和阻尼特性。從原型觀測(cè)識(shí)別結(jié)構(gòu)的自振特性可以提供建立力學(xué)模型的依據(jù)。近些年來(lái)，我國(guó)開(kāi)展了許多測(cè)定大壩振動(dòng)特性和反應(yīng)性能的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試工作，并取得了滿(mǎn)意的成果。
2、動(dòng)力模型試驗(yàn)
對(duì)混凝土重力壩這類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)，在動(dòng)力分析中不可避免地要引入不少簡(jiǎn)化和假定以及在參數(shù)選擇上的一些不確定性，因此，需要通過(guò)動(dòng)力模型試驗(yàn)，對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行修改和對(duì)其結(jié)果加以驗(yàn)證。
進(jìn)行模型試驗(yàn)要遵照動(dòng)力相似律，妥當(dāng)選擇模型材料，選擇合適的幾何比尺使試驗(yàn)中各種參數(shù)都能精確地量測(cè)到。動(dòng)力模型試驗(yàn)大致有兩類(lèi)：一類(lèi)是偽動(dòng)力試驗(yàn)，通過(guò)模型測(cè)定壩體的各種振動(dòng)特性如自振頻率和各階振型，然后通過(guò)反應(yīng)譜理論推求可能的最大動(dòng)力反應(yīng)(或?qū)⑶蟮玫淖哉耦l率及振型用于動(dòng)力分析中)；另一類(lèi)是用地震模擬振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，將模型設(shè)置在地震模擬振動(dòng)臺(tái)上直接測(cè)定其在給定的地震運(yùn)動(dòng)下的反應(yīng)。因此，地震模擬振動(dòng)臺(tái)必須能在一定精度范圍內(nèi)模擬地震引起的復(fù)雜的地面運(yùn)動(dòng)，且具有較大的載重能力和較寬的頻響范圍。在振動(dòng)臺(tái)面上修建模型壩，并施加各種波形，就可以在模型中重現(xiàn)地震運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)壩體的動(dòng)力特性和反應(yīng)，研究各種措施的效果，是十分方便和有效的工具。為此，我國(guó)建置了不少振動(dòng)臺(tái)，并廣泛開(kāi)展了滿(mǎn)足各類(lèi)要求的大壩動(dòng)力模型試驗(yàn)。通過(guò)不少大壩的動(dòng)力模型試驗(yàn)結(jié)果表明，盡管對(duì)復(fù)雜的壩體一庫(kù)水一地基系統(tǒng)的數(shù)值模擬己取得了很大的進(jìn)展，但動(dòng)力模型試驗(yàn)在驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果方面仍然是一個(gè)有力的手段，而且是研究開(kāi)裂形態(tài)和重力壩的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的最好途徑。
3、動(dòng)力數(shù)值計(jì)算方法
依據(jù)所考慮的地震動(dòng)特點(diǎn)，重力壩地震反應(yīng)分析方法可以分為確定性方法和隨機(jī)振動(dòng)方法，確定性方法利用地震記錄或其他方法確定的地震波進(jìn)行大壩的地震反應(yīng)計(jì)算；隨機(jī)振動(dòng)方法則把地震視為隨機(jī)過(guò)程，把具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的地震動(dòng)作用在大壩上求出大壩的反應(yīng)。到目前為止，國(guó)內(nèi)外的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范絕大多數(shù)都采用確定性方法。大壩抗震計(jì)算方法可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是傳統(tǒng)的最簡(jiǎn)單的所謂擬靜力法；另一類(lèi)是根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理考慮結(jié)構(gòu)物在地震中實(shí)際動(dòng)力反應(yīng)的動(dòng)力分析法，包括模態(tài)分析(又稱(chēng)自然振動(dòng)模型分析)，振型分解反應(yīng)譜法，時(shí)程動(dòng)力分析法(又稱(chēng)瞬態(tài)動(dòng)力分析，時(shí)間歷程分析，逐步積分法)等。
4、重力壩抗震特性：
地震因其破壞性大，我們?cè)谘芯恐亓慰拐鸱椒ㄖ幸残杩紤]其本身的性質(zhì)。地震特征的數(shù)值叫地震參數(shù)，只要包括震源、震中、震級(jí)和地震波等。
4.1 重力壩地震設(shè)計(jì)參數(shù)
作為建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)建筑物場(chǎng)地可能發(fā)生的最大地面運(yùn)動(dòng)所做的規(guī)定，稱(chēng)為設(shè)計(jì)地震動(dòng)。
4.2 重力壩地震加速度值的設(shè)計(jì)
目前主要有下列兩種途徑來(lái)確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)地震加速度的值：
(1)通過(guò)區(qū)域劃分的途徑。①?gòu)牡貐^(qū)基本烈度出發(fā)，根據(jù)局部場(chǎng)地條件、建筑物的重要性和遭受震害的危害性，確定設(shè)計(jì)烈度。這是我國(guó)和多數(shù)國(guó)家目前所采取的途徑。我國(guó)規(guī)范規(guī)定，一般采用基本烈度作為設(shè)計(jì)烈度。對(duì)于1級(jí)擋水建筑物，可在基本烈度基礎(chǔ)上提高1度。在需要考慮施工期和空庫(kù)情況的地震作用時(shí)，一般可比設(shè)計(jì)烈度降低1度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。根據(jù)烈度確定地震系數(shù)。②直接給出根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和地震情況劃定的區(qū)域內(nèi)的設(shè)計(jì)地震系數(shù)。
(2)從地震參數(shù)出發(fā)的途徑。從震級(jí)、震中、震源深度等地震參數(shù)出發(fā)，通過(guò)地震影響場(chǎng)，確定工程場(chǎng)地的設(shè)計(jì)地面加速度。設(shè)計(jì)中常根據(jù)不同的設(shè)防要求，確定相應(yīng)的地震震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
4.3 設(shè)計(jì)地震加速度波形
按時(shí)程法進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，必須確定設(shè)計(jì)地震加速度波形。表征地震加速度波形的三項(xiàng)要素是：頻譜特性；有效峰值；持續(xù)時(shí)問(wèn)。這些要素主要根據(jù)震級(jí)與震中距等地震參數(shù)、場(chǎng)地選擇和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性而確定。
(1)頻譜特性。地震波利用傅立葉積分求得的各諧波分量幅值和頻率間的關(guān)系，稱(chēng)為頻譜。諧波分量幅值的平方與頻率的關(guān)系，稱(chēng)為功率譜，它反映了各諧波分量的能量特征。地震波的零阻尼速度反應(yīng)譜是頻譜的上限。這些譜都反映了地震波的頻率特性。震級(jí)越大、震中距越遠(yuǎn)、地基越軟而厚，則地震波頻譜的長(zhǎng)周期部分越相對(duì)增大。
(2)有效峰值。有效峰值加速度(EPA)指的是與地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜最大值對(duì)應(yīng)的水平加速度，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一的EPA定義式。
(3)持續(xù)時(shí)間。地震波持續(xù)時(shí)間反映了地震作用的累計(jì)效應(yīng)，在進(jìn)行非線(xiàn)性動(dòng)力分析時(shí)尤為重要�？拐鹪O(shè)計(jì)的水平基于對(duì)地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)和混凝土壩動(dòng)力特性的認(rèn)識(shí)。如果對(duì)地面運(yùn)動(dòng)和壩的動(dòng)力特性認(rèn)識(shí)很少，就只能采用靜力法，即規(guī)定一個(gè)設(shè)計(jì)地震系數(shù)，把壩體的各部分質(zhì)量乘以這個(gè)系數(shù)，作為側(cè)向載荷作用壩體以體現(xiàn)地震的影響。如果對(duì)地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)和壩體的動(dòng)力特性了解較多，則可以采用反應(yīng)譜法。
到現(xiàn)在為止，我國(guó)已經(jīng)對(duì)幾十座大壩做過(guò)比較系統(tǒng)的動(dòng)力特性的研究在同一時(shí)期內(nèi)，地震地面運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)也有了大量的增加，可利用的強(qiáng)震記錄已經(jīng)很多，但是由于地震的發(fā)震概率很低，地震波的傳播過(guò)程又比較復(fù)雜，因此地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的可靠性還比較低。從目前的情況，來(lái)看，提高壩的抗震設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵是提高對(duì)地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的了解和預(yù)測(cè)能力。另外采用靜力法或者基于反應(yīng)譜理論的擬靜力法，已經(jīng)為高烈度區(qū)設(shè)計(jì)了大量的混凝土壩，它們?cè)谠庥鰪?qiáng)震作用時(shí)的震害情況，也是檢驗(yàn)、改善以往設(shè)計(jì)方法的重要依據(jù)。
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