水工混凝土结构抗震研究进展的回顾和展望(1)_工程力学专业毕业论文
发布时间：2015-01-19
来源：人大经济论坛
水工混凝土结构抗震研究进展的回顾和展望(1)_工程力学专业毕业论文
摘要:全面概述了中国水利水电科学研究院近50年来在水工混凝土结构抗震研究领域的主要创新性思路和成果的进展,包括其抗震安全评价的三个相互配套的方面。在地震动输入方面为:大坝抗震设防水准框架的制定、场址相关地震动参数的合理确定、坝址地震动输入机制的理解。在结构地震响应方面为:结构抗震的动力分析、结构抗震的动力模型试验、现场测振试验和地震监测、水工抗震设计规范的编制和修订。在大坝混凝土动态抗力方面为:大坝混凝土全级配大试件动态抗折试验、对试验结果的理论探讨、大坝混凝土三维动态细观力学分析、CT技术在混凝土动态抗力研究中的应用。阐述了研究群体形成的主要工作理念为:突出工程观点、强调全面综合评价、重视实践检验、发扬团队协作精神。最后,提出了今后研究的展望。
关键词:水工混凝土结构;抗震安全评价;地震动输入;结构地震响应;混凝土动态抗力
1 研究的工程背景我国人均水资源极为短缺且时空分布又很不均匀,通过水库大坝等水代写论文工程建设,尽可能调节利用汛期洪水,对抗旱防洪都有重大意义。我国的水能资源位居世界之首,水电作为可再生清洁能源,在我国进入全面小康社会过程中,对改善我国以煤电为主的二次能源结构、减轻煤电造成的巨大环境影响及资源和运输紧张,起到无可替代的重要作用。因此,在充分重视生态和环境影响的前提下,积极有序的进行水库大坝建设是切合国情和经济社会发展所急需的,特别是我国大江大河的源头和水能资源集中在西部高山崇岭的陡峻河谷中,地形地质条件适宜于修建移民淹地相对较少而调节性能好的高坝大库。在高坝建设中,目前以混凝土坝为多,特别是我国西部在建和近期拟建的200至300m级的高坝,绝大部分取拱坝方案。我国大陆位于世界两大地震活动带之间,是一个多地震国家,是世界上地震灾害最为严重的国家。而西部地区是我国主要地震区,地震的强度和发震频度都很高,近代我国82%的强震都发生在该地区。修建于该地区的大坝设计地震加速度(ag)都很高,地震往往成为设计中的控制工况,诸如:锦屏(H=305m,ag=0·197g),二滩(H=240m,ag=0·20g),龙羊峡(H=178m,ag=0·23g),小湾(H=292m,ag=0·308g),溪洛渡(H=273m,ag=0·321g),白鹤滩(H=275m,ag=0·325g),龙盘(H=278m,ag=0·408g),大岗山(H=210m,ag=0·557g)等,这些工程都是高拱坝。因此,水工混凝土结构中的大坝的抗震安全一直是我国水利水电建设中的一个必须面对和急需解决的关键技术问题,当前特别是对高拱坝的抗震安全,尤为迫切。
2 研究的历程在我国建国初期,水工混凝土结构抗震设计主要沿袭美国和前苏联采用的拟静力法。1959年广东新丰江大坝蓄水后频发地震,需要进行抗震加固。当时在黄文熙副院长倡导下,我院在结构材料研究所组建了抗震研究组,开始了水工混凝土结构抗震的研究工作。“文化大革命”后1978年与土工研究所有关抗震和爆破专业合并成立抗震防护研究所,1997年该所解散,成立了专门从事水工混凝土结构抗震研究的工程抗震研究中心,研究队伍由当时抗震组的不足10人发展至今的20人左右。近50年来,从新丰江大坝抗震加固开始,我院先后承担了我国各个重大工程的水工混凝土结构,特别是大坝的抗震科研任务,主持和负责了国家科技攻关项目、国家自然科学基金委员会重大计划项目及部级的重点项目。主动积极地在我国邢台、海城、唐山等各次大地震中及时赶赴现场,对水工建筑物的震害进行考察调研。在对工程抗震的研究实践中,逐步形成了包括水库地震和场址地震动输入、各类水工混凝土结构主要是大坝的动力分析和模型试验、现场测振和强震观测、混凝土材料动态特性等一整套系统、全面的研究体系;负责主编及修订我国《水工建筑物抗震设计规范》;建立了包括国内首台大型三向六自由度地震模拟振动台、微机群高性能并行计算平台、和筹建中的大型全级配混凝土动态试验机等设备的较先进完整的研究基地;培育了众多硕士、博士研究生和博士后研究人员和成长了一个以中青年为中坚的较稳定团结的科研群体。研究成果在工程中被普遍应用。先后获得国家级和省部级科技进步奖30余项,以及第一次全国科技大会先进集体、建设部颁发的全国抗震工作先进单位,近期由中国地震局、中国科学院、国防科工委、科技部、国家自然科学基金委联合颁发的全国地震科技工作先进单位。具有中国地震局颁发的甲级“建设工程地震安全性评价许可证书”。广泛开展了国际学术交流和协作活动,包括由美国自然科学基金委连续支持的、与国际知名学者Ray W·Clough共同就拱坝抗震进行的长达20年的中美合作研究。积极参加国际学术会议,笔者在这些会上多次作特邀和主题报告,连续作为国际大坝委员会有关抗震的专委会成员近30年,近年来被选为专委会副主席迄今,参与主持和组织了首次在我国举办的第14届“世界地震工程大会”中为期一天的“大坝抗震”专门分会的工作。所有这些使我院抗震研究在国内外同行中具有一定影响。
3 研究工作的主要创新性思路及进展水工混凝土结构抗震是涉及多种学科交叉的应用性边际学科,其分析依据的理论和求解方法,试验采用的仪器设备和测试方法,大多是在借鉴、吸收、和消化相关领域成果的基础上,进行集成再创新的。因此,首先力求对基本概念上深入理解和理清,并紧密结合本专业特点和要求,提出解决问题的开拓性思路,这是引领研究成果取得突破性进展的关键。当然,在思路付之实践的过程中,总需要作艰辛的探索和在实践检验中不断完善。鉴于工程结构的地震安全性评价都必须包括地震动输入、结构地震响应、结构抗力这三个不可或缺且相互配套的方面,现就我院在近50年来在水工混凝土结构,特别是大坝抗震研究工作中在这三个方面主要的创新性思路及其进展,分别简述如下。3·1 在地震动输入方面 工程的场址地震动输入是抗震安全评价的前提。多年来,在地震动输入方面的工作主要包括以下三个相互关连的内容,即:大坝抗震设防水准框架的制定、场址相关地震动参数的确定、坝址地震动输入机制。3·1·1 大坝抗震设防水准框架的制定[1] 在深入了解地震部门有关规定基础上,自行研发基于概率理论的地震危险性分析软件;经分析比较国内外有关规定导则后,结合我国国情和水工建筑物的特点和要求,建立和逐步改进了与功能目标相匹配的水工建筑物抗震设防标准的框架体系,先后被列入由我院主编在1978年颁布的我国第一本《水工建筑物抗震设计规范》和1997年颁布的其修编版中。鉴于近期在强震区修建的众多高坝大库,国内外都尚缺乏先例,为防止其发生溃坝的严重地震灾变,建议在准备修订的水工抗震规范中,对重要的高坝大库,应增加对坝址预期可能发生的最大可信地震、按不溃坝的性能目标进行校核的规定。我国西部重大工程存在近断裂大震的问题。基于概率法确定的最大可信地震,由于其所依据的基础资料中少有近场大震记录,外延至属于很小概率事件的最大可信地震,具有较大的不确定性。因此宜采用确定性方法求得设定地震。但现行确定性方法中将近断裂大震的最大可信地震作为点源处理有本水工混凝土结构抗震研究进展的回顾和展望 陈厚群仅适用于V形河谷和三心圆坝型的局限性进行了改进和扩展,使之适用于多种河谷和坝型。其后又进一步拓展至能考虑沿坝基的不均匀地震动输入[11]。成为当时我国拱坝抗震设计中有限元法动力分析的有力工具。我国混凝土坝的抗震设计从传统的、不计地震动和结构动态性能的拟静力法分析,进入到了更符合实际的动力分析的阶段。拱坝历来被作为不规则壳体的整体结构,但随着我国在地震区众多高拱坝建设的发展,地震工况下的高拱向应力值,愈益成为设计中的难题。当时国外已开始注意到拱坝坝体中的横缝,在强震时会因不能承受拉力而反复开合,使之不再成为整体结构,从而高拱向应力将被显著释放。我们结合拉西瓦拱坝工程,在国内首次引进可考虑横缝张开的美国拱坝有限元法动力分析程序ADAP-88,并对其中的因考虑横缝设有键槽而不能滑移的假定,作了可按摩尔-库仑准则滑移的改进,使之更符合有键槽横缝在张开时仍可能滑移的实际情况,在修正了其中一些差错后,首次实际应用于我国拱坝工程抗震设计中[12]。应当说,这对高拱坝抗震设计是具有突破意义的进展。拱坝抗震设计也更进一步从线性发展到非线性的动力分析。但该方法中采用边界弹簧处理横缝接触问题,不能完全满足接触条件,且以动态子结构法迭代求解的工作量也较大。
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