水工建筑物抗震设计规范(DL5073-2000)相关问题探讨
2014-03-20张公平潘晓红饶宏玲
张公平,潘晓红,饶宏玲
(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)
0 前 言
随着国家西部大开发和西电东送战略的深入开展,拉西瓦、小湾、溪洛渡、锦屏一级、大岗山、白鹤滩等一批200~300m级高拱坝工程先后开工建设,这些高拱坝大多位于西南、西北等高地震烈度区,高拱坝、高边坡防震、抗震问题突出。笔者结合近几年参与过的高拱坝、高边坡的设计工作,对拱坝孔口结构配筋混凝土动拉应力控制值、岩质边坡地震效应折减系数ξ和动态分布系数α的取值等问题进行探讨,并对《水工建筑抗震设计规范》(DL5073-2000)的相应内容提出了建议,希望能为类似工作提供参考。
1 拱坝孔口结构配筋动拉应力控制值的探讨
拱坝为超静定结构,坝体混凝土通常处于三向受力状态,应力状态十分复杂;由于泄洪的要求,拱坝坝身常需设置泄水孔口,这些孔口一定程度上将削弱了坝体结构,导致孔口周围出现应力集中的情况;在地震工况下,受地震荷载的影响,孔口周边的应力状态进一步恶化,拉应力的范围也可能进一步扩展。对于地震工况下拱坝坝身孔口周围拉应力的问题,工程设计中常参照规范[1]附录D中的关于静力工况配筋的相关公式,在孔口周边适当配置钢筋来承担超过混凝土动拉应力控制值的这部分拉应力。但拱坝孔口结构配筋混凝土动拉应力控制值如何确定,是否与拱坝坝体混凝土动拉应力控制值一致,在规范[1-3]中并没有给出相关描述。
1.1 拱坝坝体混凝土动拉应力控制值
根据规范[2]第4.6.1条和第4.7.1条的规定,工程设计中常采用的拱坝坝体混凝土动拉应力控制值的计算式如式1所示。
[σ]t=1.3×0.1fk/γdγmγ0ψ
(1)
式中fk——坝体混凝土轴心抗压强度标准值(由于规范[2]未规定混凝土龄期及强度保证率,参考规范[3]的规定,取90d(或180d)龄期,80%(或85%)保证率,按规范[2]4.6.1条规定,1.3×0.1fk即为在混凝土静态抗拉强度标准值0.1fk上提高了30%的混凝土动态抗拉强度。
γd——结构系数,按照规范[2]7.1.7条和6.1.7条规定,抗拉强度取0.7;
γm——材料性能的分项系数,按照规范[2]条文说明4.7条,取1.5;
γ0——结构重要性系数;
ψ——设计状况系数,取0.85。
在进行地震工况大坝应力分析中,当坝体动拉应力<[σ]t时,即认为坝体混凝土是安全的;当坝体动拉应力>[σ]t时,认为坝体混凝土可能开裂。
锦屏一级、溪洛渡等高拱坝孔口配筋计算成果表明,如采用式1的动拉应力控制值作为孔口配筋拉应力控制值,孔口部位的拉应力超标的范围和配筋量均较小,考虑到拱坝孔口部位的应力状况较坝体更复杂,孔口开裂对于工程的影响也更大,有必要对该控制值的取法作进一步的深入研究。
1.2 拱坝孔口结构配筋动拉应力控制值的探讨
1.2.1 规范[1-2]的相关规定
拱坝孔口结构配筋动拉应力控制值的讨论,首先从分析规范[1-2]承载能力分项系数极限状态表达式入手。
(1)规范[1]的相关规定。规范[1]第15.1.3条规定“抗震验算时,钢筋混凝土构件截面承载力的设计表达式应为......” (公式如式2所示)。
(2)
式2中,结构系数γd取1.2(钢筋混凝土);fd为材料强度的设计值,按规范[1]第6.1.4条条文说明规定,对应的混凝土材料性能分项系数γm取1.4。
另外,规范[1]第6.1.5条正文规定,在混凝土结构构件设计中,不宜利用混凝土的后期强度,但经过充分论证后,也可根据建筑物的型式、地区的气候条件以及开始承受荷载的时间,采用60d或者90d的抗压强度。
同时,规范[1]第6.1.2条条文说明中也给出了90d龄期、保证率80%混凝土强度与28d龄期、保证率95%混凝土强度等级之间的换算系数(约为0.65)。
(2)规范[2]的相关规定。规范[2]第4.7.1条规定“各类水工建筑物的抗震强度和稳定应满足下列承载能力极限状态设计式......”(公式如式3所示)。
(3)
式3中,按照规范[2]7.1.7条和6.1.7条规定,抗拉强度取0.7,结构系数γd取0.7;fk为坝体混凝土轴心抗压强度标准值,按照规范[2]条文说明4.7条,对应的混凝土材料性能分项系数γm取1.5。
另外,规范[2]第4.6.1条规定“除水工钢筋混凝土结构外的混凝土水工建筑物抗震强度计算中,混凝土动态强度和动态弹性模量的标准值可较其静态标准值提高30%;混凝土动态抗拉强度标准值可取动态抗压强度标准值的10%”。
同时,规范[2]第4.7.4条规定“钢筋混凝土结构构件的抗震设计,在按本规范确定地震作用效应后,应按DL/T5057(即规范[1])进行截面承载力抗震验算”。
(3)按规范规定的拱坝孔口结构配筋动拉应力控制值。根据规范[1-2]的上述规定,拱坝坝身孔口结构配筋动拉应力控制值计算公式如式4所示。
[σ]t=ftk/γdγmγ0ψ
(4)
式中ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值,按规范[1]第6.1.5条正文规定,应取28d龄期,95%强度保证率的混凝土强度值。
γd——结构系数,取1.2;
γm——材料性能的分项系数,取1.4。
1.2.2 拱坝孔口结构配筋动拉应力控制值的探讨
为了比较式1(拱坝坝体混凝土动拉应力控制值)和式4(拱坝孔口结构配筋动拉应力控制值)的差异,笔者结合参与过的锦屏一级拱坝孔口配筋工程实例,以不同强度保证率下锦屏一级拱坝坝身孔口部位C9040的抗拉强度标准值(90d龄期,85%保证率为2.71MPa;90d龄期,95%保证率为2.60MPa;换算出的28d龄期,95%保证率为1.76MPa)为基准,按式1和式4的的计算公式及相应分项系数分别对混凝土动拉应力控制值进行了计算(结构重要性系数γ0均取1.1,设计状况系数ψ均取0.85)。
按式1计算出的拱坝坝体混凝土动拉应力控制值为3.59MPa,按式4计算出的拱坝孔口结构配筋动拉应力控制值为1.12MPa,两者差异较大。另外,如果采用式1的计算值作为孔口结构配筋动拉应力控制值,孔口拉应力超标范围和配筋量均较大(甚至会出现钢筋布置不下的情况)。
以上分析成果表明,简单地按照式1的计算值作为拱坝孔口结构配筋动拉应力控制值是不合适的。笔者认为,拱坝孔口结构配筋混凝土动拉应力控制标准还是要结合规范[1-2]对混凝土强度取值说明:拱坝孔口混凝土结构特点、受力特点、开裂可能带来的影响,以及坝体及结构混凝土在地震中的工程实例综合确定:
(1)关于地震工况下拱坝孔口结构混凝土抗拉强度标准值是否提高的问题。由于拱坝孔口部位的进、出口闸墩,流道及支撑大梁等结构均为大体积混凝土结构,与一般的混凝土构件的受力特点还是有明显差异的,文献[4]对距离“汶川”地震震中36km的沙牌拱坝(设计烈度为Ⅶ度,“汶川”地震时坝址区地震烈度达到Ⅸ度)震损情况调查时发现,大体积混凝土结构的震损现象很少,大坝、电站进水口闸体、泄洪洞进水口闸体等部位的大体积混凝土结构均未出现震损情况。因此,简单地按照规范[1]的规定,混凝土动态抗拉强度不放大,仍然按静态值取值是不合适的。关于混凝土动态性能,规范[2]第4.6.1条正文和说明中作了相应说明,文献[5-7]中也都有相关论述;文献[8]在对国内、外已有研究成果的基础上,对规范[2]的规定提出了疑义;文献[9]根据最近国内、外高坝工程大坝混凝土动、静态试验资料,建议将混凝土动态强度的标准值较其静态标准值的提高幅度由30%调整为20%。综合文献[5-9]的分析成果,笔者认为,可以将拱坝孔口结构混凝土动态抗拉强度较静态提高20%。
(2)关于地震工况下拱坝孔口结构混凝土的龄期和强度保证率如何取值的问题。按照规范[1]第6.1.5条正文的规定,经过充分论证后,也可根据建筑物的型式、地区的气候条件以及开始承受荷载的时间,采用60d或者90d的抗压强度。由于施工期工况与地震工况不叠加,需要考虑地震荷载时,孔口混凝土早已达到设计龄期,况且地震工况还属于偶然工况。因此,地震工况下拱坝孔口混凝土可以不采用换算后的28d龄期强度,而是直接采用设计龄期(90d或180d)强度。对于孔口部位混凝土的强度保证率,笔者认为,考虑到拱坝孔口的结构特点(应力状态比一般坝体混凝土复杂、开裂风险比一般混凝土大、开裂带来的危害性比一般坝体混凝土更大),孔口部位混凝土的强度保证率应高于一般的坝体混凝土,参考规范[1]对钢筋混凝土结构构件的要求,取95%的强度保证率较合理。
1.2.3 拱坝坝身孔口结构配筋动拉应力控制值建议取值
综合以上分析成果,笔者建议拱坝坝身孔口结构配筋动拉应力控制值计算公式如式5所示。
[σ]t=1.2ftk/γdγmγ0ψ
(5)
式中ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值(采用设
计龄期90d或180d混凝土强度,
强度保证率95%);
γd——结构系数,取1.2;
γm——材料性能的分项系数,取1.4。
由此计算出的锦屏一级拱坝坝身孔口部位C9040混凝土动拉应力控制值为约1.99 MPa,拱坝孔口拉应力超标范围和配筋量较为适中。
2 岩质工程边坡地震效应折减系数ξ和动态分布系数α的取值探讨
目前,水电工程绝大部分岩质工程边坡地震工况下的稳定性分析采用的都是拟静力法,但是由于对规范的理解存在差异,在地震作用的效应折减系数ξ和动态分布系数α的取值问题上存在较多争议。
2.1 规范的规定
2.1.1 规范[10]的相关规定
规范[10]第7.2.4条规定“在地震基本烈度Ⅶ度及Ⅶ度以上地区,应计算地震作用力的影响,地震对边坡的作用和相应的边坡抗震设计应参考DL/T5073中相关规定”;同时,规范[10]第7.2.4条条文说明中明确“对于地震基本烈度不小于Ⅶ度的地区,应参照DL5073关于土石坝和拱坝拱座的规定进行边坡地震稳定分析”。
2.1.2 规范[2]的相关规定
(1)关于地震惯性力计算的规定。规范[2]第4.5.9条规定,当采用拟静力法计算地震作用效应时,沿建筑物高度作用于质点i的水平地震惯性力代表值按下式计算:
Fi=ahξGEiai/g
(6)
式中ξ——地震作用的效应的折减系数,除另有
规定外,取ξ=0.25;
αi——质点i的动态分布系数,应按本规范各类水工建筑物章节的有关条文规定采用。
(2)关于土石坝抗震计算的规定。a.由于规范[2]在土石坝抗震计算的第五章未对ξ取值作出新的规定,故根据该规范,进行土石坝的稳定计算时取ξ=0.25。b. 规范[2]第5.1.3条规定“在拟静力法抗震计算中,质点i的动态分布系数应按图1的规定采用。图中am在设计烈度为7、8、9度时,分别取3.0、2.5和2.0。”
图1 土石坝坝体动态分布系数αi
(3)拱坝拱座稳定分析的规定。规范[2]第7.1.6条规定,拱坝拱座包括重力墩稳定的抗震计算时,在确定可能滑动岩块本身的地震惯性力代表值时应按式(6)计算,α取1.0,当采用动力法时,地震作用的效应折减系数ξ取1.0,并假定岩块的地震惯性力代表值和拱端推力最大值同时发生。
2.1.3 水电工程岩质工程边坡常用ξ和α
在水电工程岩质工程边坡地震工况稳定性分析中,由于对规范的理解存在差异,各工程中ξ和α的取值各异,常见的取值方法大致有3种:ξ=1.0,α=1.0,即对地震惯性力不折减,也不放大;ξ=0.25,α参考规范[2]对土石坝的规定,按滑块底部为1,滑块顶部为3取值;ξ=0.25,α=1.0,即对地震惯性力折减,同时不放大。
2.2 ξ和α的取值对边坡稳定性的影响探讨
为了比较ξ和α的不同取值对地震工况岩质工程边坡稳定性的影响,笔者结合参与过的锦屏一级左岸坝头大块体工程实例,对3种ξ和α的取值方案,左岸坝头大块体未蓄水、蓄水至1 880.00m正常蓄水位情况下的边坡三维刚体极限平衡稳定安全系数进行了对比计算,计算工况包括4种,即:正常工况;地震工况1,ξ=1.0,α=1.0;地震工况2,ξ=0.25,α按滑块底部为1,滑块顶部为3取值;地震工况3,ξ=0.25,α=1.0。
计算成果如表1和表2所示。由表1、表2可以看出,地震工况3~地震工况1边坡稳定安全系数依次减小。如未蓄水工况模式B,在地震工况3时安全系数为1.231,还存在较大安全富余,但地震工况1时,其安全系数仅为1.051,刚刚大于稳定安全系数控制标准。这说明ξ和α的取值对于岩质工程边坡稳定安全系数影响较大,与边坡加固措施的确定和工程投资也密切相关,有必要对其取值作进一步的深入研究。
表1 未蓄水工况边坡极限平衡分析成果
表2 蓄水至1 880.00m工况边坡极限平衡分析成果
2.3 ξ和α取值探讨
2.3.1 关于地震效应折减系数ξ的取值
规范[2]第4.5.9条条文说明中明确,拟静力法中地震作用效应折减系数的引入,主要为了弥合按设计地震加速度代表值进行动力分析的结果与宏观震害现象的差异,并和国内外已有工程抗震设计实践相适应。文献[11]也谈到,计算地震时折减系数ξ取0.25是为了与水工抗震设计实践经验保持一致。规范[2]和文献[11]的相关观点均说明,地震效应折减系数ξ是对拟静力法这种方法的折减,只要采用拟静力法计算岩质边坡的稳定性,ξ就应取0.25。
另外,由于规范[2]第7.1.6条没有对采用拟静力法时的ξ另行作出规定,按照规范[2]第4.5.9条的规定,ξ应取0.25,规范的描述是清晰的。
2.3.2 关于动态分布系数α的取值
关于动态分布系数α的选取,规范[2]拱坝拱座抗震计算规定α取1.0,而在土石坝抗震计算中则规定应按规范[2]表5.1.3的规定进行放大,两者规定不一致。
关于岩质工程边坡沿高程方向的动力放大效应,文献[12]采用了模型试验、有限元计算和原型观测等3种手段,对二滩拱坝坝肩动力特性及加速度分布进行了全面综合分析,分析成果表明:
(1)河谷岸坡沿高程是存在放大效应的,其动力放大系数一般都不超过2.0;
(2)河谷岸坡的地震加速度放大系数与河谷形状(坡度、坡高)、地震波的类型(高频分量越多,放大效应越显著)、地基阻尼、基岩岩性等均密切相关;
(3)深部基岩的振动波幅明显低于地表;
(4)山体各高程处的响应,彼此之间存在相位差,各点的最大反应并非同时实现。
此外,文献[13]采用了LDDA(具有拉格朗日乘子的不连续变形分析理论)方法对锦屏一级雾化区河谷边坡的放大效应进行了研究,成果表明:
(1)从山底到山顶,边坡横河向水平加速度整体成放大趋势,但不是线性放大,而是时大时小,在空间上呈交错放大变化,放大系数与边坡形状和边坡内的结构面分布关系较大;
(2)从山体内部到地表,边坡加速度整体呈放大趋势,但放大系数也不是线性分布。
文献[12、13]的研究成果说明:
(1)岩质工程边坡沿高程确实是存在动力放大效应的;
(2)岩质工程边坡沿高程的加速度放大系数(即动态分布系数α)影响因素众多,难以准确确定,仅采用滑块底部到滑块顶部线性放大取值是不合理的。
关于岩质工程边坡的动态分布系数的取值,笔者认为还是应该结合岩质工程边坡的结构特点、所处位置和一些经历过地震考验的工程实例分析来综合确定。
有别于凸出于基础之上的土石坝,岩质工程边坡属于刚体结构,且大多数位于山体内部的,与拱坝的拱座较为类似;对于拱坝拱座α的取值,规范[2]第7.1.6条规定,在确定可能滑动岩块本身的地震惯性力代表值时α取1.0;参考规范[2]拱坝拱座的相关规定,岩质工程边坡动态分布系数α取1.0是合理的。另外,从经历过地震考验的岩质工程边坡实例来看:文献[14]对距离“汶川”地震震中17km的紫坪铺水利枢纽工程的震损情况调查发现,虽然地震烈度达到Ⅸ度,但枢纽区岩质工程边坡(设计烈度为Ⅶ度)仅出现了少量变形,未出现垮塌现象,整体稳定性良好,加固区范围外的自然边坡则有多处垮塌;文献[4 、15]对距离“汶川”地震震中36km的沙牌拱坝震损情况调查时也发现,经过加固的岩质工程边坡均未出现震损情况,而工程边坡附近的自然边坡则出现多处垮塌。上述文献均说明,经过加固后的岩质工程边坡的抗震性能是远远优于天然边坡的,在边坡动态分布系数取值时应适当考虑这一因素。
综合以上分析,笔者认为,水电工程岩质工程边坡地震惯性力计算中,边坡动态分布系数α应取1.0。
3 结 语
(1)考虑到拱坝孔口部位混凝土应力条件复杂、开裂风险较坝体混凝土高,在综合比较规范[1-2]承载能力分项系数极限状态表达式的基础上,笔者提出了拱坝孔口混凝土动拉应力控制值的建议计算公式(见式5)。
(2)通过对ξ和α不同取值对岩质工程边坡稳定性的影响分析、ξ和α取值的探讨研究,笔者提出岩质工程边坡地震惯性力系数建议取值为:地震作用的效应折减系数ξ=0.25,动态分布系数α=1.0。
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