重力坝抗震安全评价及配筋效果研究

认为在设计大坝时， 只有极少数在强震区的混凝 土坝允许有限开裂。林皋 [2] 深入总结了汶川地震 中典型大坝的震害特点， 指出减小重力坝震害的 关键在于对坝体头部和坝踵等存在应力集中的薄 弱部位采取有效的抗震措施。 Martin[3] 基于刚体平 衡方程和梁理论开发了一款重力坝计算机辅助设 计软件 （CADAM） ， 用于应力、 裂缝和安全系数的 分析计算。范书立和丁柱 [4, 5] 分别结合新旧两版抗 震设计规范开展重力坝抗震安全评价。张楚汉 [6] 总结了高混凝土坝抗震安全评价的最新研究成
S E 表示地震作用效应， S i 表示第 i 阶振型的 式中 ： m 为计算采用的振型ij i
j
（1）
3 混凝土重力坝线弹性动力响应分析
动力响应分析采用 3D 有限元模型， 地基采用 无质量地基模型， 静弹模取 1.2GPa ， 动弹模取静弹 模的 1.5 倍。地基按照坝高的 1.5 倍分别从坝面上 下游、 坝基底向外取用。地基两侧水平向约束， 地 基底面全部约束， 垂直河流向地基两侧面法向约 束。做抗震计算时， 上游水位取正常蓄水位， 下游 水位取最低尾水位， 考虑静水压力、 自重、 扬压力 作用影响， 地震作用效应分别按照振型分解反应 谱法和时程法计算。当采用时程分析法分析时， 根据设计反应谱生成人工地震波， 结构及地基阻 尼按照规范要求比均取为 10% 。采用振型分解反 应谱法和时程法计算图 2 中特征点主应力和建基 面的应力分布， 如表 1 、 表 2 及图 2 所示。 在静力工况中， 特征点没有出现拉应力， 且最 大主压应力为 -7.18 MPa ， 能够满足要求这里不再 赘述。而对于承载力极限状态的验算， 最大可信 地震动工况起控制作用， 坝体下上游坝面混凝土 抗 压 强 度 为 10.97 MPa（考 虑 材 料 性 能 分 项 系 数 1.5 、 结构系数 1.3 、 偶然设计状况系数 0.85 和结构 重要性系数 1.1） ， 其动态抗压强度取其的 1.5 倍为 16.45 MPa ， 动抗拉强度标准值取动抗压强度标准 值的 0.1 倍， 考虑各项系数后取为 3.06 MPa 。查表 · 51 ·
水利科研
［文章编号］ 1002—0624 （2017） 11—0050—03
东北水利水电
2017 年第 11 期
重力坝抗震安全评价及配筋效果研究
王 倩，薛兴祖， 侯 薇
（吉林省水利水电勘测设计研究院， 吉林 长春 130000）
［摘 要］为研究重力坝闸墩坝段的抗震安全性能及优化钢筋配置方案， 按照新版抗震设计规范要求， 采用振型 分解反应谱法和时程分析方法， 进行线弹性动力响应计算。校核该坝的极限承载力并对比验证时程分析和反 应谱分析结果。基于 Drucker-Prager 弹塑性本构模型进行非线性动力分析， 对比不同配筋方案的减震效果。 结果表明： 该闸墩坝能够满足新版抗震设计规范的要求。在闸墩与堰面交界面及坝踵处， 配置普通钢筋和在 局部应力集中部位配置预应力钢筋， 能够有效提高重力坝的抗震性能。 ［关键词］混凝土重力坝； 抗震安全评价； 非线性动力分析； 配筋 ［中图分类号］ TV698.1+3 ［文献标识码］A
▽ 195.7 正常尾水位
▽ 203.7
下游校核洪水 静水压力 P
J2
12.1
▽ 183.6
静水压力 P
图 1 闸墩坝段计算模型
数和静力荷载示意图。 计算地震作用效应， 采用振型分解反应谱法 分析时， 各阶振型按照完全二次型方根法组合：
SE =
通钢筋采用整体式模型， 通过设置钢筋的体积配 筋率和配筋方向来模拟。预应力钢筋采用等效荷 载法。也即将力筋的作用以等效荷载的形式作用 于结构。
2 计算参数及分析方法
某碾压混凝土重力坝， 闸 墩 坝 段 坝 高 86.54 m， 工程规模为大 (1) 型， 地震基本烈度为 7 度， 最大 可信地震加速度按 100 年超越概率为 0.01 的概率 法确定取值为 0.172 g 。大坝及泄水建筑物按 500 年一遇的洪水设计， 10 000 年 一 遇 的 洪 水 校 核 。 其上下游正常蓄水分别为 263.5 m 和 195.7 m ， 校 核洪水位为 268.5 m 和 203.7 m 。坝体内部碾压混 凝土 （RV） 和上游外部碾压混凝土 （RIII） 强度等 级 分 别 为 C9015 和 C9020 。 坝 基 垫 层 常 态 混 凝 土 （CV） 及闸墩常态混凝土 （CIV） 强度等级分别为 C2820 和 C2840 。图 1 给出了闸墩坝段基本几何参
[1]
果， 指出包括动力损伤分析在内当前研究所面临 的关键问题。钱声源 [7] 基于 ADINA 软件的非线性 接触模型研究复杂层状地基条件下重力坝的抗震 性能。陈立和申振东 [8, 9] 分别基于混凝土塑性损伤 模型和弥散裂缝模型开展对大坝地震损伤破坏的 模拟。 文中基于新版抗震规范， 针对某重力坝闸墩 坝段进行抗震安全评价， 并结合 Druck-Prager 非 线性模型的分析结果， 研究不同配筋方案对大坝 抗震性能的改善效果。
1 概 述
重力坝多建于地震频发地区， 开展抗震安全 评价十分必要且意义重大。其中， 材料力学法与 有限元法是现行 NB 35047-2015 《水电工程水工 建筑物抗震设计规范》 所推荐的两类验算方法。 规范规定对于坝高较大、 建筑物抗震设防等级较 高或结构和地基条件复杂的重力坝， 除了应采用 动、 静力的材料力学法计算， 还应补充振型分解反 应谱分析、 时程分析和非线性分析进一步论证。 对于溢流坝闸墩与堰面交接部位等抗震薄弱部 位， 应加强配筋设计。 国内外学者也对此开展了深入的研究。Chopra
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2017 年第 11 期
液压力 Pt ▽268.50上游校核洪水位 浪压力 Pt ▽263.50正常蓄水位
东北水利水电
▽ 269.5
水利科研
闸墩及堰头常态混凝土 CⅣ CⅢ CⅤ
▽ 250 堰顶高程
84.9
静水压力 P
79.9
J1
静水压力 P 28.3
J1
RⅢ 26.63
自重 W 碾压混凝土 RⅤ 常态混凝土 CⅤ 扬压力