水工建筑物抗震设计的几点思考

□郝 领

（河南省水利勘测有限公司）

1 引言

水工建筑的构造较为复杂且埋藏较深，同时许多建筑物所处的地质条件较为复杂，使其经常会受到地下高水位、结构张力大、强地震干扰、水力结构不利等方面的影响，这在事实上为水工建筑物的设计工作造成了大量技术难点，对水工结构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结构造成损坏，同时还对下游人民群众的人身安全、健康生活等方面都造成了潜在的巨大风险。

在1990年之前我国的水利水电行业的建筑防震规范使用单一安全系数法。在1990年后由于国家有提升建筑抗震性能的需要，中国技术部门参考相关理论出台《能源部门水力建筑抗震设计规范》，在这一规范中将单一安全系数法更改为多要素安全系数法，从而为水工建筑物抗震设计提供了更多技术支持。但是由于水工建筑物的抗震设计具有很强复杂性并且影响因素众多，因此工程结构无论使用单因素还是多因素方法的安全系数法，其最终计算结果都必须与国内外的实际设计经验相匹配。在20世纪90年代初期，由于当时有效设计样本较少，一些工程科学家过分强调了可靠性理论在多要素安全系数法中的应用，实际设计过程中影响因素众多，很难使用单一的可靠性理论直接准确计算出水工建筑物的安全系数。在这一前提下，多要素安全系数法可充分考虑水工建筑物水位、荷载组合和材料特性等因素带来的影响，从而为水工建筑物抗震设计奠定良好的基础。

2 水工建筑物抗震设计要点

2.1 注重遵循水工抗震设计规范

我国现行的《水工抗震设计规范》于1997 年修订，这一修订工作对于我国水工建筑抗震安全设计起到重要作用，有助于保持水工建筑工程的整体稳定性，同时避免因工程损坏而引起二次灾害，有效满足抗震设计要求。与此同时，自然灾害给水工结构的抗震设计带来许多新的影响和启发，带来更多创新性的设计。例如在发生自然灾害时，经过预应力锚固处理的基台岩体能够基本保持稳定，而未经预应力锚固处理的水工建筑物无法保持稳定性，工程强度出现显著下降。

2.2 自然灾害对抗震结构要求

大量工程实践证明，对于工程项目组而言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，水利工程中的建筑物多处在气候情况多变、天气情况复杂和水文地质条件干扰性强的地方，在这种情况下进行施工和运行往往会造成很多额外的困难，而水工建筑本身也会受到水的推力、浮力、渗透力、冲刷力等的作用，这使得其运行环境相比其他建筑的运行环境更为复杂，因此设计人员必须考虑到潜在的自然灾害风险，才能够有效提升抗震结构等级，避免建筑在遇到自然灾害后产生次生灾害。

2.3 自然灾害对综合性设计的要求

2008年汶川大地震的地震能量的释放在时间和空间上都非常不均匀。因此，为了让水工建筑物可以应对这一级别的自然灾害，设计人员在防震计算分析中必须考虑到每个水工建筑物的实际地形和地质条件影响，考虑到不同区域的水力结构很少相同，设计人员在设计时需充分考虑到不同建筑物间的实际差别，并以此为基础调整工程设计参数。此外，由于许多地面运动难以提前计算，因此设计人员应当加强对地震断层附近地面运动特性的研究工作，并在设计时更加充分的考虑到地震断层、全断层面破裂速度、破裂方式、破裂方向等因素的影响，并将这些因素结合起来进行综合研究，以达到满足抵抗自然灾害的基本设计要求。

3 水工结构抗震设计的几点建议

3.1 合理确定抗震水准框架

设计人员应当首先确定框架的使用需要，通常来说国外水工建筑物的抗震水准框架是根据美国标准中的地震动参数概念，最大设计地震（MDE）和基准地震（OBE）的两个参数，以及水工建筑物的地震要求来进行设计。大量国内外水工建筑结构的抗震设计实践表明，重复周期为100-200 a的OBE通常在设计中无法发挥良好控制作用。因此，设计人员在合理确定抗震水准框架时，应当明确防震性能定位，以使水工建筑能够在遭遇到局部地震破坏后可以进行修复。而对于需要抗震保护的大型水工建筑物，设计人员必须进行特殊的地震安全框架设计，这一设计需保证水工建筑物在遭受极端地震破坏时，能够保证该水工建筑物避免遭受毁灭性破坏，从而保证人类财产与生命的安全，降低二次灾害出现的可能性，这就需要设计人员进行大量模拟实验，以确保该抗震标准的绝对安全性。

3.2 精确测定水工建筑抗震数值

地面运动的最大加速度Amax是建筑物抗震设计时的基础输入最大加速度，其单位为重力加速度g（9.81 m/s2）或Gal（gal=10 mm/s2）。在这一前提下考虑到水工建筑是用特定材料来构建设计一个用于调控水流和配置水资源的建筑，因此其目标应该是选用合适的材料，采用合适的构建方法，保障建筑空间在可知及可预测的荷载作用下，其完整性受到破坏的概率低于一个可以接受的概率底线。这意味着水工建筑的抗震设计人员还难以从理论上对其做出总结和归纳。此外，当水工建筑物遇到罕见的强烈地震时，地震噪声对水工建筑的平稳性产生影响。如果水工建筑的位置距离地震不到10 km 且地震烈度＞7 级，则设计人员应当研究近场大震中的发震断层破裂过程，从而针对性的提升水工建筑的抗震数值水平。

3.3 提升水工建筑物刚度

在地震时水工建筑的结构会因振动而出现不稳定的情况，具体表现为水工建筑结构的扭曲变形。考虑到在同等地震烈度下水工建筑的刚度越高其受到地震力也越小，所以水工建筑的设计人员需要合理减少水工建筑本身的结构自重，从而节省建筑材料使用量，而且在增强建筑刚度的同时有利于水工建筑抗震，从而有效降低地震带来的负面作用。

3.4 强化水工结构力学性能

强化水工结构力学性能对于增强水工结构的抗震能力有着很大的帮助。当前的水工结构抗震设计往往采取静态计算方法来进行参数计算，这很难反映地震作用下水工建筑物的实际动态振动和动态力学性能，也无法准确计算水工建筑和地基上的动应力。通常来说混凝土的动态抗拉强度等参数多是通过对模型（试样）进行全质量弯曲试验而测得的。在这一前提下，设计人员为了强化水工结构力学性能，在对水工建筑的地震变形参数分析时，不仅需要进行准静态计算分析，还应当使用有限元方法执行动态计算分析，以全面评估水工建筑结构的抗震性能。

4 结语

水工建筑物的张拉条件和边界条件相当复杂，考虑到地震的情况本身也非常复杂，水工构造的设计人员首先需要严格根据《水力建筑抗震设计规范》等设计规则来进行设计，这有助于确保水工建筑物本身优秀的抗震能力。除此之外，考虑到水工建筑物使用的混凝土材料的动态性能，设计人员可以使用更合理的标准响应行为来创建合理的抗震水准框架与抗震密封框架，在此基础上显著增强水工建筑物的整体抗震性能。