杜夢(mèng)潔

摘 要：水利工程是涉及到人民財(cái)產(chǎn)和安全的重要工程，是為消除水害和開發(fā)利用水資源而修建的工程。在水利工程中存在有許多重要的水工建筑物，其結(jié)構(gòu)所受的荷載都具有不同程度的動(dòng)荷載性質(zhì)，有不少結(jié)構(gòu)主要在振動(dòng)環(huán)境下工作，因此需要研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。本文就水利工程存在的一些動(dòng)荷載的相關(guān)問題，分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在水利工程抗震中的重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 水利工程 抗震

引言：

近年來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施，我國已建成或者正在建設(shè)高于100米大壩數(shù)量超過100座，且部分戰(zhàn)略性工程規(guī)模巨大，地震烈度較高。在地震高烈度區(qū)，抗震安全多為工程建設(shè)中的關(guān)鍵。因此結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用在水利工程建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的一個(gè)分支，著重研究結(jié)構(gòu)對(duì)于動(dòng)載荷的響應(yīng)（如位移、應(yīng)力等的時(shí)間歷程），以便確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力學(xué)特性，或?yàn)楦纳平Y(jié)構(gòu)的性能提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)同結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的主要區(qū)別在于它要考慮結(jié)構(gòu)因振動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力和阻尼力，而同剛體動(dòng)力學(xué)之間的主要區(qū)別在于要考慮結(jié)構(gòu)因變形而產(chǎn)生的彈性力。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，動(dòng)荷載的確定是一項(xiàng)重要而困難的工作。近年來發(fā)展的"載荷識(shí)別"是一項(xiàng)新技術(shù)，它根據(jù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作情況下測(cè)得的響應(yīng)資料反推結(jié)構(gòu)所受到的載荷資料。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中動(dòng)力荷載下所受的荷載比靜力學(xué)中的靜力荷載下所受的荷載要高，因此在大型工程中應(yīng)該著重研究結(jié)構(gòu)對(duì)于動(dòng)荷載的響應(yīng)，以便確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力學(xué)特性，或?yàn)楦纳平Y(jié)構(gòu)的性能提供依據(jù)。

2.水利工程的抗震問題

水利工程作為以防洪灌溉、除害興利的目的而建造的工程，其規(guī)模大，投資多，技術(shù)復(fù)雜，工期較長，因此在設(shè)計(jì)過程中需要綜合所方面因素考慮。其主體結(jié)構(gòu)大壩主要有土石壩和混凝土壩等。

土石壩在地震發(fā)生后可能震害：第一種情況是滑坡，唐山地震之后密云水庫出現(xiàn)過大規(guī)?；碌默F(xiàn)象；第二種情況是塌陷，如陡河土壩出現(xiàn)大壩嚴(yán)重塌陷；第三種情況是液化，其主要表現(xiàn)在砂土地基與建筑大壩的材料砂礫出現(xiàn)液化，在震動(dòng)過程中飽水的砂礫等材料會(huì)變成流沙向四周流動(dòng)，這樣大壩就完全失去了抗震的能力，大壩很可能在很快的時(shí)間內(nèi)垮掉；第四種情況是裂縫。面板堆石壩的防滲層可能出現(xiàn)裂縫或隆起；還有就是兩岸的壩頭可能產(chǎn)生山體滑坡。這些都是地震可能給土石壩帶來的破壞情況。

混凝土壩在地震發(fā)生后可能震害：主要表現(xiàn)為裂縫與兩岸壩肩滑坡。其主要出現(xiàn)的地帶是頂部裂縫和底部裂縫。裂縫出現(xiàn)的問題就是漏水還削弱壩的整體穩(wěn)定所以一旦發(fā)生裂縫要及時(shí)處理、整修。據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，混凝土壩整個(gè)垮塌還是較少出現(xiàn)。但迄今混凝土壩真正遭遇極強(qiáng)地震考驗(yàn)的還較少。如1999年我國臺(tái)灣地震的時(shí)候，石崗水閘在地基斷層錯(cuò)動(dòng)后整個(gè)閘隆起來大約6～7米，整個(gè)壩體都斷裂了。

水工建筑物抗震設(shè)計(jì)的基本要求是，能抗御設(shè)計(jì)烈度的地震，如有局部損壞，經(jīng)一般處理仍可正常使用。在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意：

（1）結(jié)合抗震要求選擇有利的工程地段和場(chǎng)地。

（2）避免地基失效和靠近建筑物的岸坡失穩(wěn)。

（3）選擇安全、經(jīng)濟(jì)、合理的抗震結(jié)構(gòu)和工程措施。注意結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位。

（4）從抗震角度提出對(duì)施工的質(zhì)量要求和措施。

（5）考慮震后便于對(duì)遭受震害的建筑物進(jìn)行檢修，能適時(shí)降低庫水位。

設(shè)計(jì)烈度高于Ⅸ度的水工建筑物，和設(shè)計(jì)烈度為Ⅸ度、高于250m的壅水建筑物，應(yīng)專門進(jìn)行抗震研究?！?】

3.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在水利工程抗震中的應(yīng)用

通常人們使地震對(duì)水利工程減小破壞的措施主要是通過兩種途徑，即通過減小地震動(dòng)的輸入來使其控制在大壩能夠承受的范圍和通過改變大壩本身的性能來適應(yīng)或應(yīng)對(duì)地震振動(dòng)等來減小對(duì)大壩的影響，使大壩能夠承受住這種影響。地震的災(zāi)害給我國人民人身安全造成了嚴(yán)重的威脅，發(fā)生重大災(zāi)情的時(shí)候，大壩作為重大工程，它的安全穩(wěn)定顯得特別重要。因此，我們必須在一定的經(jīng)濟(jì)條件下，最大限度得限制和減輕大壩的地震破壞，從而保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全不受損害。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)所特有的特性，動(dòng)力結(jié)構(gòu)在地震時(shí)就會(huì)有一定的動(dòng)力效應(yīng)，簡(jiǎn)單的說就是結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)的地震反應(yīng)加速度與地面運(yùn)動(dòng)的加速度有所不同，且結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)的地震結(jié)構(gòu)自震周期與阻尼具有一定的聯(lián)系。對(duì)動(dòng)力學(xué)方法的應(yīng)用可以對(duì)自由度彈性體系質(zhì)點(diǎn)的加速度反應(yīng)進(jìn)行求解，并求得不同周期的加速度反應(yīng)，并根據(jù)實(shí)際已有的數(shù)據(jù)給出合理的優(yōu)化方案。

如果我們仔細(xì)研究鋼框架結(jié)構(gòu)的非彈性地震反應(yīng)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)柱的軸向塑性變形會(huì)朝一個(gè)方向積累，進(jìn)而導(dǎo)致水平位移增大，從而加劇 P—Δ效應(yīng)。軸向力將減小撓曲為主的振型的自振頻率，而且將加大拉伸振型的自振頻率。運(yùn)用離散變量方法，對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行處理，用拉格朗日方程進(jìn)行一般性分析，以便考慮結(jié)構(gòu)的空間特性[2]。

結(jié)束語

水利工程是為了控制、利用和保護(hù)地表及地下的水資源與環(huán)境而修建的各項(xiàng)建設(shè)工程，其主要作用是防洪、灌溉、發(fā)電、供水等。水利工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的理論為工程安全性、穩(wěn)定性提供了重要的技術(shù)支撐，使得工程結(jié)構(gòu)整體的安全性能得到了保障。在對(duì)工程抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，不僅需要對(duì)工程結(jié)構(gòu)的使用功能和使用年度進(jìn)行考慮，同時(shí)還需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全防震性能進(jìn)行考慮，并在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中充分對(duì)地震的來臨進(jìn)行模擬，要保證橋梁符合小震不壞、中震可修、大震不倒的原則[3]。為了做到以上的抗震要求，就要對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的基本原理和方法進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)，并運(yùn)用到水利工程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》DL 5073—1997

[2]劉旺.建筑結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的防震減震應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011，23（22）：312.

[3]王敬東，胡曉飛，董一丁.建筑結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的防震減震應(yīng)用研究[J].城市建筑，2013（18）：49.