水工建筑物抗震设计的几点思考

刘明君

摘要：面对强震、大断层等恶劣环境的控制，受高地下水位、高构造应力的影响，水工建筑物设计中存在着许多技术问题。如果问题得不到及时解决，将直接影响工程的后期建设。文章针对水工建筑物的抗震设计进行了研究，提出了可靠的设计思路。

关键词：水工建筑物;抗震設计;思考

导言：水工建筑物结构复杂，埋藏深。同时，许多建筑物的地质条件复杂，往往受到地下水位高、结构张力大、地震干扰强、水工建筑物不利等因素的影响。事实上，这给水工建筑物的设计带来了很多技术难题，对水工建筑物设计的技术水平提出了更高的要求。此外，地震不仅会对水工建筑物的结构造成破坏，还会对下游人民的人身安全和健康生活造成巨大的潜在风险。

1990年以前，我国水利水电行业建筑抗震规范采用了单一安全系数法。1990年以后，为提高建筑抗震性能，我国技术部门参照有关理论，颁布了《能源水利建筑抗震设计规范》。该规范将单因素安全系数法改为多因素安全系数法，为水工建筑物抗震设计提供了更多的技术支持。然而，由于水工建筑物抗震设计的复杂性强，影响因素多，单因素或多因素安全系数法的最终计算结果必须与国内外的实际设计经验相吻合。20世纪90年代初，由于当时有效设计样本较少，一些工程科学家过分强调可靠性理论在多因素安全系数法中的应用。在实际设计过程中，影响水工建筑物安全系数的因素很多，很难用单一的可靠度理论直接、准确地计算水工建筑物的安全系数。在此前提下，多因素安全系数法能充分考虑水工建筑物的水位、荷载组合和材料特性的影响，为水工建筑物的抗震设计打下良好的基础。

1 水工建筑物抗震设计要点

1.1注重遵循水工抗震设计规范

现行《水工建筑物抗震设计规范》于1997年修订，对我国水工建筑物抗震安全设计起到了重要作用。它有助于保持水工建筑物的整体稳定性，避免工程破坏引起的次生灾害，有效地满足抗震设计的要求。同时，自然灾害供水构筑物的抗震设计带来了许多新的影响和启示，也带来了更多的创新设计。如在发生自然灾害时，经预应力锚固处理的桥台岩体基本能保持稳定，而未经预应力锚固处理的水工建筑物不能保持稳定，工程强度明显降低。

1.2 自然灾害对抗震结构要求

大量的工程实践证明，对于项目组来说，工程结构的抗震设计是必不可少的，因此在地震应急预案中，设计人员必须保证抗震结构的可靠性。此外，水利工程建筑物大多位于气候多变、气象条件复杂、水文地质条件干扰强的地方。在这种情况下，施工和运行往往会带来很多额外的困难，水工建筑物本身也会受到水的推力、浮力、渗透力和冲刷力的影响，这使得其运行环境比其他建筑物更加复杂。因此，设计人员必须考虑潜在的自然灾害风险，才能有效地提高结构抗震水平，避免自然灾害后的次生灾害。

1.3 自然灾害对综合性设计的要求

2008年汶川大地震的能量释放在时间和空间上都很不均衡。因此，为了使水工建筑物能够应对这一级别的自然灾害，设计人员在进行抗震计算和分析时必须考虑各水工建筑物的实际地形和地质条件。考虑到不同地区的水工建筑物很少相同，设计人员应充分考虑不同建筑物之间的实际差异，在此基础上对工程设计参数进行调整。另外，由于许多地震动难以预先计算，设计人员应加强对地震断层附近地震动特征的研究，在设计中更充分地考虑地震断层、破裂速度、破裂方式、破裂方向等因素的影响，并结合这些因素进行综合研究，以满足抵御自然灾害的基本设计要求。

2 水工建筑物抗震设计策略研究

2.1 确定抗震设防水准框架

根据中外水工建筑物抗震设防水平的差异分析，除加拿大、瑞士、英国外，各国水工建筑物抗震设防水平均参照ICOLD要求，采用OBE，见两级设防。然而，我国目前采用的是单层设计抗震设防，对特别重要的建筑物只进行二级设防因此，建议我国水工建筑物抗震设计应合理确定设防水平，并结合设置框架，将水工建筑物抗震设计作为一项重要工作。

2.2 应用标准设计反应谱

在水工结构抗震设计中，应用标准设计反应谱可以了解地震动的衰减情况，反映不同震级、不同距离的加速度反应谱规律。目前，水利工程设计人员只能根据强震记录的内容，了解反应谱和震级的规律性变化，从而计算出地震反应谱与震级、距离的衰减关系，并分析其相关性。

在美国西部研究的基础上，美国研究人员根据世界173次地震的3500次记录，了解了地震动衰减关系。这些记录是目前最全面的设计反应谱分析结果。从我国地震活动特征和地质构造特征出发，发现这些因素与北美地区相似。因此，在研究设计反应谱时，也可以参考美国的数据记录。

2.3 了解混凝土动态力学性能

在水工建筑物抗震设计过程中，混凝土是建筑物的结构原材料，其动抗压强度、抗拉强度和弹性模量是水工混凝土结构动力力学的重要研究参数。其中，剪拉和弯拉强度是主要研究对象。对于水工结构的抗拉强度，建议混凝土的抗弯强度可通过试件弯曲试验获得，混凝土结构的抗弯强度可参考国外有关试验数据，结合国外研究人员的试验经验确定。水工建筑物的动压、抗拉强度应比静强度至少提高20%。此外，第一次模拟考试还应了解水工建筑物地震反应的复杂性，阐明结构材料的塑性特性，分析水工土石坝的动力状况，并统一模拟条件，保证分析结果与实际情况的差异缩小。根据国家提出的工业设计规范，水工建筑物的抗震设计采用拟静力法。同时，结合有限元动力计算方法，实现了水工结构抗震性能的综合评判。

结语

水工建筑物的受拉条件和边界条件十分复杂。考虑到地震本身的复杂性，水工建筑物的设计人员需要严格按照《水工建筑物抗震设计规范》等设计规范进行设计，以保证水工建筑物具有良好的抗震能力。此外，考虑到水工结构所用混凝土材料的动力性能，设计人员可以采用更合理的标准反应行为，建立合理的抗震水平框架和抗震密封框架，从而显著提高水工结构的整体抗震性能。

参考文献

[1]水工建筑物抗震设计策略探讨[J]. 冯少艳.  建材与装饰. 2019（23）

[2]水工结构抗震分析及设计[J]. 刘晓嫚，闫毅志.  中国水运（下半月）. 2019（07）

[3]水工结构抗震设计探讨[J]. 李王坤.  山西水利. 2017（06）