混凝土大壩的抗震安全評價（二）
發布時間：2010-01-14 共2頁
3 混凝土材料的動力特性
對混凝土大壩進行抗震安全評價，除了地震設防標準而外，一個重要的方面是混凝土材料的動力特性問題。在壩工問題研究中這是相對薄弱的環節。20世紀50年代后期日本的火田野正進行了比較全面的對混凝土動態抗壓和動態抗拉強度影響的研究[13，14]，注意到了加載速率對混凝土動態強度的重要影響，以后有一些作者進行了這方面的研究。在大壩設計中，目前應用比較廣泛的一個依據是Raphael所進行的試驗[15]，他在5座西方混凝土壩中鉆孔取樣進行動力試驗，在0.05秒的時間內加載到極限強度(相當于大壩5Hz的振動頻率)，得出動態抗壓強度較靜強度平均提高31%；直接拉伸強度平均提高66%，劈拉強度平均提高45%，試驗結果有一定離散性。據此，他提出了混凝土大壩在地震作用下抗拉強度設計標準的建議。地震作用下混凝土的抗拉強度(單位psi)為
ft=2.6fc2/3(1)
計入斷面塑性影響時的混凝土表面抗拉強度(單位psi)為
f′t=3.4fc2/3(2)
式中：fc為混凝土的靜態抗壓強度。
這一結果是在一定條件下取得的，即應變速率大體相當于5Hz的振動。但目前已被不分情況地普遍推廣應用于大壩的設計[16]，我國《水工建筑物抗震設計規范》也采用了這一結果。實際上，不同的大壩、不同的部位，地震時的應變速率各不相同，例如，對300m級的高拱壩來說，其基本振動頻率接近于1Hz，地震時的應變速率遠低于5Hz時相應的應變速率。近年來，關于應變速率對混凝土強度的影響已進行了大量研究[17，18]。其中歐洲混凝土協會(CEB)1990樣板規范建議的計算公式形式如下[19]：
ft/fts=(/s)1.016δ<30s-1(3)
δ=1/(10+6f′c/f′co)(4)
式中：ft為應變速率時的動態抗拉強度；fts為靜態抗拉強度；為動應變速率，3×10-6～300s-1；s為靜應變速率，3×10-6s-1；f′c為混凝土抗壓強度；f′co為混凝土標準抗壓強度，10MPa.
地震荷載作用時的應變速率，一般在(10-3～10-2)范圍內變化[17]。應當指出，不同的研究者得出的結果離散性很大[18]，見圖1.式(1)所代表的是其平均趨勢。而且，對混凝土動態強度影響的因素也很多。混凝土在受拉、受彎和受壓時，其動態強度的增長幅度不同。不同強度的混凝土增長幅度不同，低標號混凝土增長幅度較高。此外，混凝土試件的濕度也對其動強度的增長幅度發生重要影響，干混凝土的動態強度基本上不隨應變速率的增加而變化[20]。還有，尺寸效應也是一個不應忽略的因素。
以上的很多研究都是針對恒定的加載速率而進行的，實際上，地震時大壩各部分所承受的應變速率是變化的[21]。往復荷載作用時，最大動應力發生的瞬時，其相應的動應變速率=0(圖2)，這表明混凝土的動態強度應和加載歷史有關。對于循環加載，加載幅度與加載循環數也將對動強度發生影響。“八五”期間我們進行的實驗[22]表明，加載強度達到混凝土強度的75%，預加載100周后，動強度可較不進行預加載時降低12%～20%.
地震作用下，大壩各部位在不同時刻處于不同應變速率和應變歷史條件，大壩各部位的強度和剛度均相應發生不同程度的變化，這些因素都將對大壩的地震響應產生一定影響，值得重視。
4 對混凝土大壩抗震安全評價的幾點看法和建議
從以上各國大壩抗震設防標準的討論中可以看出，各國的安全評價標準存在有較大的差別，認識很不一致。我們不妨做一簡單比較。我國300m級的小灣拱壩和溪洛度拱壩均位于Ⅷ度強震區內，按100年超越概率2%的水準，設計地震加速度分別為0.308g和0.320g.按日本標準，強震區(相應于烈度Ⅷ度和Ⅸ度)設計地震加速度為0.12g-0.20g.按俄羅斯標準，Ⅰ級大壩Ⅷ度區設計地震加速度取為0.06g，同時按0.2g進行補充分析。美國規范標準按兩級設防。DBE取重現期200年，則小灣和溪落渡的設計地震加速度約相應于0.07g和0.12g(依據地震危險性分析結果)，此外，要求在MDE地震作用時保持蓄水能力。上述標準都按彈性分析計算地震應力。由于各國國情不同，材料強度的控制標準不同，施工質量的可靠程度不同，這種比較并不能完全反映大壩抗震設計的安全度，但還是給我們一定的啟示。值得注意的是，各國大壩的設計地震加速度(包括我國低烈度區的一些低混凝土壩在內)雖有差別，但比較接近(除拱壩外，日本大壩壩身的設計地震加速度均等于地基加速度，所以地震加速度取得高一些；俄羅斯、美國等則考慮動力影響，將大壩壩身的加速度在地基加速度基礎上進行放大).相對來說，我國重要大壩的設計地震加速度有所偏高，其設計加速度(100年超越概率2%)，達到或接近國外MDE的水平。而在MDE作用時，國外一般容許大壩發生一定程度的震害，只要保持水庫的蓄水能力即可。我國則要求地震時大壩的最大應力不超過材料的動態抗拉強度，即不容許出現裂縫。我國重要大壩設計地震加速度偏高的一個原因是沿用了1978年規范試行本中的一個規定，對于1級擋水建筑物，設計地震烈度可在基本烈度基礎上提高一度。當時參照了前蘇聯標準中的一些規定。然而，前蘇聯在1981年施行的新規范中，對水工建筑物已經取消了這一規定。這表明如何對重要大壩進行抗震設防也是一個值得深入研究的問題。
