水工混凝土结构抗震研究60年

本文简要介绍了中国水利水电科学研究院60年来在水工混凝土结构,主要是大坝的抗震研究方面的进展。回顾了其历经"启蒙"、追踪世界前沿的"跟跑"和"并跑"三个发展阶段。概述了主要研究成果,诸如:坝址的地震动输入及其场址相关地震动参数的确定;应用高性能"云计算"技术,对坝体-地基-库水体系地震响应及其基于损伤力学的损伤破坏过程的非线性并行计算分析;极端地震下地震灾变的定量判别准则的确定;采用三向六自由度地震模拟振动台进行坝体-地基-库水体系动力模型试验;大坝现场试验和地震动监测;大坝混凝土全级配试件包括损伤本构关系的动态特性试验及应用三维细观力学分析和CT技术研究其内部开裂状态;编制水工建筑物抗震设计国家标准等。最后,对常规的抗震设计理念和方法提出了改进建议。     

重视高坝大库的抗震安全——纪念唐山大地震30 周年

本文概述了我国面临高坝建设的历史机遇和其抗震安全的严重挑战，提出确保大坝工程抗震安全的基本理念。首先，大坝抗震安全评价必须要遵照坝址地震动输入、坝体结构体系的地震响应和大坝材料的动态抗力三个方面相互配套的原则：同时要有敢于突破传统、敢于创新的精神；最后，提出了在当前我国高坝中占主位的拱坝的抗震安全关键技术问题，并简要报导了在其地震动输入、坝体结构体系的地震响应和大坝材料的动态性能三个方面的最新研究进展。     

高拱坝抗震动力分析和安全评价

地震荷载作用下大坝动力响应及其抗震安全问题对建于高烈度地震区的高拱坝往往成为工程设计的控制性关键问题，结合现行的《水工建筑物抗震设计规范》(SL203—1997)，综述了高拱坝的抗震设防标准、动力分析方法、大坝混凝土的动态抗力以及抗震安全评价的基本原则、规定和方法及其适用范围，介绍了当前高拱坝抗震研究中包括计入坝区实际地质地形条件、地震动能量向无限远域逸散的所谓地基辐射阻尼影响、坝体伸缩横缝非线性以及坝体全级配混凝土动态特性方面所取得的最新研究进展，就今后高拱坝抗震设计中应重点研究解决的几个问题提出了建议。     

高拱坝抗震安全研究

我国是多地震国家,高坝大库多建于西部强震区,其中坝高超过200 m的大坝多为混凝土拱坝,其抗震安全至关重要。结合2018年11月颁布实施的《水工建筑物抗震设计标准》(GB 51247—2018)的编制工作,在高拱坝抗震方面取得的主要研究成果,包括大坝抗震设防水准框架、大坝地震动参数的合理确定、大坝地震动输入机制、大坝—地基系统整体抗震稳定分析和大坝坝体强震损伤破坏机理分析,据此提出了最大可信地震下高拱坝抗震安全定量评价指标。     

水工抗震学科国际科学技术发展动态跟踪

结合国内水工结构抗震研究的发展,对近年发表于相关领域的国际期刊杂志的工程抗震研究最新发展进行调研。伴随实际强震、近震地震动记录及震害资料的不断丰富,工程抗震研究也得到了不断深入,近期国内外在工程抗震的关注点主要包括基于性能的抗震设计、设计地震动参数的确定、近断层地震动的脉冲特征、地震动持时对结构地震损伤的影响、增量动力分析、混凝土大坝开裂后的动力稳定、地震动时空非均匀性对拱坝地震响应的影响等方面,本文对上述关注点进行了概括总结。     

三峡枢纽水工建筑物动力问题研究

本文简要介绍了三峡水利枢纽场址、工程地震危险性分析和地震动参数、水工结构的动态特性及动力响应的研究结果。分析与试验结果表明,结构动态特性优于一般重力坝,这种坝型有利于提高抗震能力。其它水工建筑物亦满足抗7度地震的要求。研究结果为结构方案选择与优化设计提供了依据。文中还提出了改进结构设计的建议。     

碾压混凝土重力坝动力模型破坏试验研究

采用仿真混凝土材料研究碾压混凝土重力坝不同坝段模型在地震荷载作用下的破坏特征.通过施加不同的地震波,研究各种坝段的动力特性,并在此基础上进行了大坝的超载破坏试验,分析研究了重力坝各坝段的极限承载力和变形破坏机理,对比评价各坝段的抗震性能.试验结果表明,各坝段均首先在坝头部位发生开裂损伤,随着输入地震动加速度的逐级增加,不同坝段出现破坏的部位和破坏程度有所变化.试验结果为工程设计和全面定量评价重力坝各坝段的抗震性能提供重要依据.     

混凝土大坝的抗震安全评价

本文论证了混凝土大坝重点是高拱坝的抗震安全评价的实践与发展现状。现有的评价准则主要依据混凝土的强度，特别是抗拉强度来判断大坝的安全性。大坝的应力计算则以弹性动力分析为基础。各国规范关于地震设防水平和大坝的容许拉应力数值有很大差别，表明认识上的不一致。事实上，由于各坝坝高、坝型、地形、地质条件不同，地震时坝身中某一部分产生的最大拉应力不足以全面反映大坝的抗震安全性。混凝土的动态强度是大坝抗震安全评价中的一个薄弱环节。大坝抗震设计中目前只依据Raphael进行的局部加载速率的试验结果选取混凝土的动强度。实际上，地震作用下，不同的坝不同部位的应变速率是不相同的，而且混凝土的动强度还和应变历史、初始静抗压强度、含水量以及尺寸效应等许多因素有关，有待作深入研究。在以上分析基础上，文中建议了混凝土大坝抗震安全评价的合理方法以及进一步的研究方向。     

基于增量动力分析与多层感知机的 混凝土坝地震易损性评估

传统坝体地震易损性评估所采用的非线性数值模拟手段的计算量很大，为兼顾大坝地震易损性评估的高效 性与准确性，提出基于增量动力分析（incremental?dynamic?analysis,?IDA）与多层感知机（multilayer?perceptron,?MLP） 的混凝土坝地震易损性评估方法。以我国西北地区某混凝土重力坝为例，建立三维坝体-库水-地基有限元模型并 开展多组地震响应计算。利用等步长调幅处理所选地震动记录，并采用三向地震进行幅值输入；选取峰值 [ 地 面 ] 加速度（peak?ground?acceleration,?PGA）为地震动强度指标，坝顶顺河向位移为大坝损伤指标，初步进行混凝土 坝易损性分析。提取各地震动特性参数作为输入，坝顶顺河向位移为输出，训练并测试 MLP 模型；扩充地震动以 获取各地震动特性参数，利用 MLP 模型进行坝顶顺河向位移的快速预测，实现有限元结果的扩充，进行混凝土坝 易损性分析，并绘制易损性曲线。结果表明，将 MLP 模型引入分析可有效扩充数据量，利用 IDA-MLP 耦合方法 建立的大坝地震易损性曲线符合实际规律，验证了采用 MLP 模型预测混凝土坝损伤指标进而扩充数据的可行性， 在保证精度的情况下大幅提高计算效率，为同类型水工建筑物的抗震安全评价和防震减灾提供科学依据。     

土石坝地震动输入机制研究综述

土石坝的动力反应特性和抗震性能是水电工程界关注的焦点。设计地震动及其输入方式的合理确定是进行大坝结构动力反应分析和安全性评价的前提,也是影响分析结果可靠性的重要因素。本文对土石坝动力分析地震动输入机制研究中涉及到的地震动参数的确定和地震动输入方式等的研究现状进行了总结、评述,并在此基础上提出了需进一步研究的问题。     

混凝土动态弹性模量对重力坝地震反应的影响分析

现行水工抗震规范中规定,大坝混凝土动态弹性模量在静态弹性模量基础上提高30%。这一规定体现的是混凝土瞬时模量与持续模量的差异,而非加载速率的影响。根据国内相关混凝土坝设计规范,持续模量约为瞬时模量的0.67倍,亦即瞬时模量可较持续模量提高50%。本文结合不同高度的重力坝,从大坝自振特性、动位移、动应力及静动综合应力诸方面进行比较分析,论证两种动态弹性模量取值的影响。结果表明:坝体动态弹性模量提高率从30%增至50%后,对重力坝动力特性及地震反应的影响很小。     

动态弹性模量变化对拱坝动力反应的影响

现行水工抗震设计规范规定,大坝混凝土动态弹性模量在静态弹性模量基础上提高30％,对岩体动态变形模量的取值并无规定,现行工程实践中岩体动态变形模量通常在静态变形模量基础上提高30％。根据国内外最新研究成果修编中的新规范拟规定：大坝混凝土动态弹性模量在静态弹性模量基础上提高50％,岩体动态变形模量取为静态变形模量。本文针对新规范的这一变化,结合不同高度的拱坝,从大坝白振特性、动位移、动应力及静动综合应力诸方面进行比较分析,论证混凝土两种动弹性模量以及基岩两种动变形模量取值的影响。结果表明,坝体动弹模从30％提高到50％以及基岩动变模是否提高30％对坝体动力特性和地震反应影响不大。     

全级配混凝土冻融循环后单轴动态抗压性能试验研究

为研究冻融及动力作用对全级配混凝土单轴抗压性能的影响,对全级配混凝土进行不同冻融循环次数(0、25、50、75、100次)的冻融循环试验及不同应变速率(10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s)的单轴动态抗压试验。实测了全级配混凝土经历不同冻融循环次数后的质量损失、损伤形态,以及不同应变速率下全级配混凝土的单轴动态极限抗压强度、应力-应变关系曲线。研究结果表明:全级配混凝土质量损失率与冻融循环次数呈二次曲线关系;在相同应变速率下,全级配混凝土单轴动态极限抗压强度随冻融循环次数的增加而降低;在相同冻融循环次数下,全级配混凝土单轴动态极限抗压强度随应变速率的增大而提高。对试验结果分析的基础上,建立了综合考虑冻融循环次数与应变速率影响的全级配混凝土的统一破坏准则,可为水工建筑物的设计、维修等提供试验及理论依据。     

混凝土坝抗震安全评价指标和方法研究

以提出混凝土坝整体抗震性能评价指标体系和方法框架为目标,分析研究了美国水工建筑物设计规范(EREM)基于性能目标的抗震评价方法、评价标准、定量化性能指标,同时对国内外相关成果进行了对比分析。针对高混凝土坝的最大设计地震(MDE)的设防水准以及最大可信地震(MCE)的安全目标,为了更好地评价地震动作用下结构性态,应注重定量化评估坝体—地基—库水的整体效应,以及应力和变形响应的累积效应,结合现有的高混凝土坝的抗震评估,进行线弹性评价和非线性响应分析。线弹性评价预测应引入USACE评价程序和判别准则中的结构需求能力比、超线弹性累计时间和性能曲线等定量化指标,再结合现行规范从坝体关键部位、横缝等方面进行非线性响应分析修正分步实施,建立混凝土高坝抗震性能定量化评价框架。研究成果为混凝土坝抗震性能评价提供参考。     

地震输入角度对抽水蓄能高面板堆石坝动反应影响研究

本文采用三维有限元计算方法和沈珠江动本构模型,研究某高烈度区大倾角坝基上高面板堆石坝的动反应特性。首先,讨论了地震波水平输入角度对面板堆石坝动反应的影响,以地震过程中坝顶峰值加速度,坝体最大动位移与最大动应力,面板最大变形值及最大动应力五个指标作为主要评判标准,对比地震波在八个不同水平输入角度下坝体动反应的大小,发现水平输入角度每改变45°,五个指标均随之变化,呈现"W"型变化规律,180°为最不利输入角度,各项指标都处于峰值点。然后,针对处于大倾角坝基上的抽水蓄能高面板坝进行了坝体动反应和坝坡稳定性分析,获得了堆石坝反应加速度随着坝高的增加而增大,以及震后存在残余变形等地震反应特性。最后验证了该工程坝体在地震反应过程中的安全性。研究结果可为高烈度地区倾斜坝基上高面板坝的动反应设计提供参考。     

汶川地震中沙牌拱坝震情验证研究

本文针对汶川地震中沙牌拱坝的抗震表现,从推求坝址地震复原波、测定坝体混凝土材料实际强度两个方面力求使地震反应分析中的计算条件接近汶川地震中沙牌拱坝的实际情况,并在计算分析中通过调整拱坝接缝的初始强度取值,比对沙牌拱坝在汶川地震震后调查所体现的震损情况以推断震时实际的缝面强度。计算分析与实际抗震表现均验证了沙牌拱坝-地基体系具有较高的实际抗震能力,依据沙牌拱坝抗震表现分析了高拱坝体系较高抗震潜能的主要来源,说明遵照我国抗震规范精心设计施工的高拱坝—地基体系具有较大的抗震潜能。     

当前混凝土高拱坝抗震研究中的几个问题

综述能对坝基、坝身与库水综合分析的简单实用方法,合理的高拱坝抗震安全评价准则,混凝土材料强度的动力特性,坝址河谷地震动的输入模型,抗震工程措施等高拱坝抗震研究中亟待解决的问题和难点.在分析高拱坝抗震研究最新进展的基础上,提出进一步完善用动力分析技术研究坝、水、地基综合系统的地震响应、更新抗震设防理念、建立不均匀地震动模型、加强抗震工程措施的有效性研究等建议.     

新旧抗震规范下重力坝抗震安全性能分析

结合新修订的《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB35047-2015)与原来的《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000),采用振型分解反应谱法分析了新旧规范下重力坝地震动应力、动位移与动加速度的分布规律。研究结果表明:与采用原规范计算得到的结果相比,采用修订规范后,各坝型基频对应的反应谱放大系数增大,计算出的坝顶动位移有所增大,而坝顶动加速度反应却呈现降低趋势;建基面部位地震动应力反应有所增大;坝头部位的地震动应力反应有所降低;坝头部位以下的上、下游坝面地震动应力有所增大。结论为工程设计人员利用新抗震规范对重力坝进行抗震安全性评价提供了参考。     

全级配大体积混凝土的内时损伤本构模型

复杂应力状态下全级配大骨料混凝土的强度和变形是混凝土坝体等大体积混凝土结构非线性有限元全过程仿真分析所必需的重要资料。本文结合内时理论和损伤力学理论，在大量试验数据的基础上，考虑尺寸效应和骨料湿筛效应对损伤变量的影响，建立了适用于不同骨料级配混凝土的内时损伤本构模型。该模型不仅摆脱了一般弹塑性中屈服面的概念，而且反映了不同骨料级配混凝土受力时不同的损伤演变规律。应用本文建议的模型，计算了全级配混凝土以及湿筛二级配混凝土在不同应力状态下的应力-应变关系，所得结果与试验数据符合的较好，可作为拱坝及其他大骨料混凝土结构设计的依据。     

非一致地震动输入下高面板坝地震反应特性

为研究地震波非一致输入对三维高面板坝动力反应的影响,采用波场分离的思路将人工动力边界处的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场和局部场地效应引起的散射场,借助黏弹性边界建立地震波在自由场作用下地震动非一致输入,实现考虑地基辐射阻尼和地震波行波效应的地震动输入。对我国西南地区某高面板坝进行非一致地震动反应分析,研究P波和SV波作用下坝体结构的动力反应规律。结果表明:当P波非一致输入时,随着入射角度的增加,竖向加速度和动位移极值逐渐减小,水平向加速度和动位移极值逐渐增大;SV波非一致输入时,地震动反应规律与P波入射时相反。入射角度对地震波的行波效应以及坝顶加速度反应谱幅值等都有较显著的影响。