高混凝土坝地震响应的其他问题分析

就高混凝土坝地震响应分析和安全性评价的整体而言,应包括三个方面的研究内容:第一,正确、合理地选定坝址相关的地震动参数,这方面的研究将直接关系到抗震分析作用荷载的大小,是安全评价的前提,因此是地震响应分析重要的前沿研究课题;第二,坝体,包括坝肩和坝基整个系统,在地震荷载作用下的动力响应分析;第三,坝体材料对动力响应的抵抗能力,也就是混凝土材料的动力性能研究,这关系到安全评价中到底应选择材料具有多大的抗力,因此这方面的研究也是前提性的。应当说这三者相比,对于正确、合理地进行安全评价来说,第一、第三方面更为关键,而目前抗震分析研究领域的现状却是两头小,中间大,即对于第一、第三方面的研究工作反而相对薄弱,对于第二方面的研究工作也多为确定性的分析。本小节将对上述几个薄弱、但关键的研究课题现状作一简要介绍。

(1)坝址地震动的研究。地震动输入决定着结构承受动荷载的大小,是动力响应分析的依据条件,直接关系到对结构动力反应分析结果的合理性评价。遗憾的是由于该问题的复杂性,目前对这个问题的处理还比较“粗糙”,仍停留在采用峰值加速度以及对结构反应影响不很显著的个别高频峰值作为主要设计地震动参数进行反应分析的水平,应当说这样的处理方式是不尽合理的。今后应由地震工程学科和结构工程学科的科技工作者共同攻关,深入研究场址设计地震加速度和反应谱等地震动参数的合理取值以及场地类别对其影响的问题,以使动力分析建立在更加合理的依据上。从目前研究工作的进展情况看,采用地震危险性的概率分析和确定性法相结合的原则,根据场址地震地质条件实际最大可能发生的设计地震,合理确定场地相关设计反应谱,可能是一条比较适应的途径。

(2)混凝土材料动力特性的研究。混凝土材料动力特性作为计算的基本参数,对动力分析结果必然会产生一定的影响,如混凝土的弹模、抗拉强度、软化曲线取不同的值和形式,都会使计算得出的线弹性或非线性动力反应结果有所不同。因此,对高坝抗震设计来说,材料动力参数的选取是非常基础、非常重要的事情。但是,目前国内外对混凝土材料动力特性的研究,应当说还是比较初步的,如引人注目的Raphael(1984)试验,虽然他根据试验资料统计给出了较为实用的动静强度比资料(动拉∶静拉=1.16;动压∶静压=1.31),而且也已被某些国家的抗震设计规范所参考。但是应看到他的试验仍仅限于单轴、单调加载(相当于约5Hz的振动频率)情况。而近年来其他有关的试验资料表明,混凝土的动力强度并非一固定值,而是随加载速率的增加而明显的增大,且增大的规律又随混凝土的条件(配比、骨料特性、工作环境等)不同而有所变化。另外,动力特性和受力状态也有一定的关系。总之,目前工程设计中采用的方法,即单纯用一个“动静比”来反映混凝土的动力特性是不够的,因此对于混凝土材料的动力特性今后还需要进行更多的深入研究工作。

(3)高坝随机地震动反应分析。本文上面所论述的有关高混凝土坝地震响应分析的问题都是针对某一场给定的地震动过程求坝体结构反应时所涉及的问题。而实际上地震动的随机性很强,无论是发生的地点、时间,还是发生的强度、传播的途径等都具有很大的不确定性,也就是说其显示的特点是地震动过程的随机性。因此,用概率的方法研究地震作用的随机性是一条必然的发展途径。而不同的地震动所造成的结构动力反应又必然不尽相同。因此,地震动时空随机场对高坝大型结构地震响应影响的研究,愈来愈引起学术界和工程界的关注。(www.xing528.com)

将地震动过程真正按实际情况作为一个非平稳随机过程作用在坝体,然后以此推求坝体结构的随机响应和抗震可靠度,这固然是一个理想的做法,但由于问题的复杂性,目前的研究工作还达不到这个理想境界,对这个问题的研究,应当说目前尚处于理论和方法的探索阶段。很显然,对这个问题的随机分析涉及两个方面,即地震动的随机性分析和结构的随机振动反应分析。在地震动随机模型研究方面,对于单维分量作用下地震动随机模型的研究,现已取得了一些成果,并且已在工程实践中初步运用,如平稳模型中的白噪声模型、过滤白噪声模型,非平稳模型中的均匀调制过程(强度非平稳模型)、演变过程(强度和频率非平稳模型)等;对于多维地震动随机模型,目前的做法是在单维分量模型的基础上,考虑各分量间的相关性,从而得到多维地震动模型,如在相关性研究中已有主轴模型等。在结构的随机振动反应分析方面,对于考虑平动与扭转耦联效应的结构随机地震反应,已有学者提出了一些分析计算方法,如随机地震反应的振型位移法、均值反应谱随机振型加速度法、结构随机反应的振型加速度法等。此外,随机振动的功率谱法也得到了众多学者的关注,相继提出了不少各具特色的方法,如虚拟激励法等。

(4)坝体和坝肩的动力耦合分析研究。坝体和坝肩(基)原本是一个有机的整体,而目前在工程设计研究中是将二者人为地分开,各自依据不同的准则,独立地进行安全评价。对于前者,通常是作为连续介质,将坝基视为系统介质的一部分,依据强度准则进行安全性评价;而对于后者,则是作为非连续介质,考虑构造面的切割作用,将坝体对坝肩(基)的作用视为拟静力外荷载,依据摩尔—库伦准则对坝肩(基)岩体进行抗滑稳定安全性评价;二者之间并不完全协调。今后的研究发展方向,应当是将二者真正地有机结合起来,作为一个完整的系统,采用连续介质与非连续介质结合的分析方法,考虑二者之间的相互耦合作用,在统一的准则、标准下对系统进行安全性评价,这是高坝动力响应分析今后面临的有一个需要突破的研究课题。