結構動力學理論研究在水工抗震方面的工程應用

劉玉 劉俊

摘要：本文通過對結構動力學基本任務和研究方法的介紹和其在水工抗震方面的實際工程應用舉例，來說明結構動力學的理論研究在實際水工抗震方面有極其重要的應用價值和意義。隨著結構動力學研究的深入，相信會為實際工程起到更為重要的指導作用。

關鍵詞：結構動力學；地震；水工抗震；工程應用

正文：

一、結構動力學研究的基本內容及研究方法

結構動力學的任務是在動力荷載作用下對結構進行動態分析，研究結構在動荷載作用下表現出的各種各樣的物理現象，而且要揭示現象背后的物理實質和內部規律。所謂動力荷載，其特征是荷載的大小、方向和作用點隨時間而迅速變化，從而使結構產生明顯而激烈的振動，其位移與內力均是時間的函數。在這種荷載作用下的結構分析問題，稱為結構的動態分析。【1】對于工程實際結構，無論是在設計還是在使用時，常常需要準確而迅速地分析或預測它們的動力特性，進而保證工程實際結構的安全穩定。結構動力學便是從一般性問題出發，從理論上研究結構動力特性的本質問題。

二、水工抗震研究的意義

地震是一種自然現象，顧名思義就是大地發生振動。發生地震時，地面上的建筑物由于基礎運動而引起強迫振動。這種強迫振動，一方面決定于地面運動的規律，另一方面也決定于建筑物本身固有的動力學特征。地震引起建筑物強迫振動響應，可以用荷載、內力、變形或者能量等力學量來度量，而一般工程上較多以地震作用來度量。地震作用是指地震時建筑物本身具有的慣性力。在設計時，它能夠反映地震影響的等效荷載，要求根據它設計出來的建筑物能夠抵抗相應的地震。【3】

水利工程是為興水利、除水害而修建的工程。水利工程中采用的各種建筑物統稱為水工建筑物，如水壩、大堤、水閘等。【4】大型水工建筑物遭受地震作用，一旦毀壞，將會產生嚴重的次生災害，給人民財產造成巨大的損失，因此被列為社會生命線工程予以特別重視。我國大陸位于世界兩大地震活動帶之間， 是一個多地震國家， 是世界上地震災害最為嚴重的國家。因此，了解地震災害的作用機理，對水工結構進行必要的抗震研究具有極其重要的意義和價值。

三、工程實際應用舉例

（1）壩體-庫水-基礎系統動力數值模型研究

壩體-庫水-基礎系統動力數值模型研究是拱壩抗震安全性評價中的一項主要內容。可以分為兩大部分內容：設計地震荷載作用下大壩動力響應分析和地震超載下系統整體安全性及失穩模擬分析。該模型運用結構動力學中建立模型和數值分析的方法對高地震烈度區高拱壩抗震設計的安全性評價提供了一種有效可行的方法指標。第一部分通過將壩體及地基作為一個體系，可以充分考慮壩體、地基和庫水的動力相互作用，并計入地基輻射阻尼、壩體橫縫在強震中開合非線性、地震非均勻輸入、地基非均勻性及主要結構面等因素影響，對大壩混凝土及地基材料的動力特性也可進行考慮。第二部分還處于探索研究階段。地震荷載是一種不確定性很大的荷載，因此，應分析超設計地震烈度下拱壩的反應，探求大壩地震極限承載能力，評判大壩地震安全儲備；對地震破壞過程的模擬研究，可以探求拱壩抗震的薄弱環節，確定抗震加固措施。采用壩體-庫水-基礎系統動力數值模型研究該問題，可以克服傳統設計中對大壩和壩肩安全性分別單獨進行評判忽略其耦合作用的缺點，將壩體和壩肩安全性統一為一個系數。【5】

（2）水電站進水塔結構抗震設計研究

在水利水電工程中，為達到發電、供水、泄洪等綜合利用目的，往往需要在水位變幅很大的供水和泄水系統的首部設置進水塔，水電站泄洪洞進水塔結構除了要承受靜荷載作用，還會受到動水、地震等動荷載的影響。傳統的進水塔抗震措施主要利用主體結構構件屈服后的塑性變形能和滯回耗能來耗散地震能量，這使得這些區域的耗能性能變得特別重要，而一旦由于某些因素導致這些區域產生問題，將嚴重影響到結構的抗震性能，產生嚴重破壞，由于破壞部位位于主要結構構件，其修復是很難進行的。因此分析震動產生的根源，通過在不同階段采取震動方法控制措施，就成為不同的積極抗震方法。首先從震源上消震，通過減弱震源震動強度達到減小結構震動，由于地震源難以確定，且其規模宏大，目前還沒有有效可行的措施；其次從傳播途徑上隔震，通過某種裝置將地震與結構隔開，其作用是減弱和改變地震時結構作用的強度和方式，以此達到減少結構震動的目的；再次從結構上被動減震，通過采取一定的措施或附加子結構吸收和消耗地震傳遞給主結構的能量，達到減小結構震動的目的。

（3）雙江口心墻堆石壩振動臺模型試驗研究

地震模擬振動臺實驗的基本原理是將結構模型放在一個剛性平臺上，然后給此剛性平臺施加已知地震運動，這樣就可以在整個結構上產生所需的慣性力，測量結構模型在慣性力作用下的響應，用于研究結構抗震性能。地震模擬振動臺可以很好地再現地震過程和進行大量人工地震波的試驗，研究結構動力特性、地震反應規律和破壞機理，測試設備抗震性能，檢驗結構抗震措施效果等。【7】

目前我國土石壩的設計還很大程度上以工程類比及工程師們的經驗判斷為基礎。隨著西部水電資源的開發，許多高土石壩位于高烈度強震區，抗震問題突出。由于經歷過較大地震考驗的高土石壩還比較少，缺乏高土石壩抗震設計的經驗，也很難依靠有限的震害資料對高土石壩地震動力反應分析方法和計算程序進行有效的驗證。土石壩振動臺模型試驗是研究土石壩地震反應性狀和震害機理的重要手段。

雙江口心墻堆石壩最大壩高314米，壩址區地震基本烈度為7度，100年超越概率2%的基巖地震動峰值加速度為0.205g，一般場地條件下地震烈度為8度。通過振動臺模擬實驗，得到了雙江口心墻堆石壩的自振頻率，阻尼比和振型等動力特性參數，研究了壩體地震動加速度反應和殘余變形分布等分布規律，這些成果可供大壩抗震設計參考使用，對其他工程亦有一定的參考價值，也是驗證和改進地震動力反應方法和計算程序的基本資料。【8】

四、總結

本文闡述了結構動力學的基本任務、方法和地震相關概念，并以壩體-庫水-基礎系統動力數值模型研究、水電站進水塔結構抗震設計研究、雙江口心墻堆石壩振動臺模型試驗研究為例，說明了結構動力學的研究在水工抗震方面的一些具體工程應用。結構動力學是一門十分有用的學科，相信隨著結構動力學的發展和理論研究的深入，它在水工抗震方面的工程應用必將會越來越廣泛，越來越成熟！

參考文獻：

[1] 杜正國，結構力學教程，成都，西南交通大學出版社，2004年8月，384

[2] 李東旭，高等結構動力學，北京，科學出版社，2010年，2-4

[3] 胡少偉，結構振動理論及其應用，北京，中國建筑工業出版社，2005年，195

[4] 彥宏亮，水工建筑物，北京，化學工業出版社，2007年2月，1-2

[5] 曹去修、向光紅、崔玉柱，高地震烈度區特高拱壩抗震設計，水力發電學報，2009年