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　　3 混凝土材料的動(dòng)力特性
　　對(duì)混凝土大壩進(jìn)行抗震安全評(píng)價(jià)，除了地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)而外，一個(gè)重要的方面是混凝土材料的動(dòng)力特性問題。在壩工問題研究中這是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。20世紀(jì)50年代后期日本的火田野正進(jìn)行了比較全面的對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)抗壓和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度影響的研究[13，14]，注意到了加載速率對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的重要影響，以后有一些作者進(jìn)行了這方面的研究。在大壩設(shè)計(jì)中，目前應(yīng)用比較廣泛的一個(gè)依據(jù)是Raphael所進(jìn)行的試驗(yàn)[15]，他在5座西方混凝土壩中鉆孔取樣進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)，在0.05秒的時(shí)間內(nèi)加載到極限強(qiáng)度(相當(dāng)于大壩5Hz的振動(dòng)頻率)，得出動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較靜強(qiáng)度平均提高31%；直接拉伸強(qiáng)度平均提高66%，劈拉強(qiáng)度平均提高45%，試驗(yàn)結(jié)果有一定離散性。據(jù)此，他提出了混凝土大壩在地震作用下抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的建議。地震作用下混凝土的抗拉強(qiáng)度(單位psi)為
ft=2.6fc2/3(1) 　
計(jì)入斷面塑性影響時(shí)的混凝土表面抗拉強(qiáng)度(單位psi)為
f′t=3.4fc2/3(2) 　
式中：fc為混凝土的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。
　　這一結(jié)果是在一定條件下取得的，即應(yīng)變速率大體相當(dāng)于5Hz的振動(dòng)。但目前已被不分情況地普遍推廣應(yīng)用于大壩的設(shè)計(jì)[16]，我國(guó)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》也采用了這一結(jié)果。實(shí)際上，不同的大壩、不同的部位，地震時(shí)的應(yīng)變速率各不相同，例如，對(duì)300m級(jí)的高拱壩來說，其基本振動(dòng)頻率接近于1Hz，地震時(shí)的應(yīng)變速率遠(yuǎn)低于5Hz時(shí)相應(yīng)的應(yīng)變速率。近年來，關(guān)于應(yīng)變速率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響已進(jìn)行了大量研究[17，18]。其中歐洲混凝土協(xié)會(huì)(CEB)1990樣板規(guī)范建議的計(jì)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(yīng)變速率時(shí)的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度；fts為靜態(tài)抗拉強(qiáng)度；為動(dòng)應(yīng)變速率，3×10-6～300s-1；s為靜應(yīng)變速率，3×10-6s-1；f′c為混凝土抗壓強(qiáng)度；f′co為混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，10MPa. 
　　地震荷載作用時(shí)的應(yīng)變速率，一般在(10-3～10-2)范圍內(nèi)變化[17]。應(yīng)當(dāng)指出，不同的研究者得出的結(jié)果離散性很大[18]，見圖1.式(1)所代表的是其平均趨勢(shì)。而且，對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度影響的因素也很多。混凝土在受拉、受彎和受壓時(shí)，其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度不同。不同強(qiáng)度的混凝土增長(zhǎng)幅度不同，低標(biāo)號(hào)混凝土增長(zhǎng)幅度較高。此外，混凝土試件的濕度也對(duì)其動(dòng)強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度發(fā)生重要影響，干混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度基本上不隨應(yīng)變速率的增加而變化[20]。還有，尺寸效應(yīng)也是一個(gè)不應(yīng)忽略的因素。
　　以上的很多研究都是針對(duì)恒定的加載速率而進(jìn)行的，實(shí)際上，地震時(shí)大壩各部分所承受的應(yīng)變速率是變化的[21]。往復(fù)荷載作用時(shí)，最大動(dòng)應(yīng)力發(fā)生的瞬時(shí)，其相應(yīng)的動(dòng)應(yīng)變速率=0(圖2)，這表明混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度應(yīng)和加載歷史有關(guān)。對(duì)于循環(huán)加載，加載幅度與加載循環(huán)數(shù)也將對(duì)動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生影響。“八五”期間我們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)[22]表明，加載強(qiáng)度達(dá)到混凝土強(qiáng)度的75%，預(yù)加載100周后，動(dòng)強(qiáng)度可較不進(jìn)行預(yù)加載時(shí)降低12%～20%.
　　地震作用下，大壩各部位在不同時(shí)刻處于不同應(yīng)變速率和應(yīng)變歷史條件，大壩各部位的強(qiáng)度和剛度均相應(yīng)發(fā)生不同程度的變化，這些因素都將對(duì)大壩的地震響應(yīng)產(chǎn)生一定影響，值得重視。
　　4 對(duì)混凝土大壩抗震安全評(píng)價(jià)的幾點(diǎn)看法和建議
　　從以上各國(guó)大壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的討論中可以看出，各國(guó)的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在有較大的差別，認(rèn)識(shí)很不一致。我們不妨做一簡(jiǎn)單比較。我國(guó)300m級(jí)的小灣拱壩和溪洛度拱壩均位于Ⅷ度強(qiáng)震區(qū)內(nèi)，按100年超越概率2%的水準(zhǔn)，設(shè)計(jì)地震加速度分別為0.308g和0.320g.按日本標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)震區(qū)(相應(yīng)于烈度Ⅷ度和Ⅸ度)設(shè)計(jì)地震加速度為0.12g-0.20g.按俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ級(jí)大壩Ⅷ度區(qū)設(shè)計(jì)地震加速度取為0.06g，同時(shí)按0.2g進(jìn)行補(bǔ)充分析。美國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)按兩級(jí)設(shè)防。DBE取重現(xiàn)期200年，則小灣和溪落渡的設(shè)計(jì)地震加速度約相應(yīng)于0.07g和0.12g(依據(jù)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果)，此外，要求在MDE地震作用時(shí)保持蓄水能力。上述標(biāo)準(zhǔn)都按彈性分析計(jì)算地震應(yīng)力。由于各國(guó)國(guó)情不同，材料強(qiáng)度的控制標(biāo)準(zhǔn)不同，施工質(zhì)量的可靠程度不同，這種比較并不能完全反映大壩抗震設(shè)計(jì)的安全度，但還是給我們一定的啟示。值得注意的是，各國(guó)大壩的設(shè)計(jì)地震加速度(包括我國(guó)低烈度區(qū)的一些低混凝土壩在內(nèi))雖有差別，但比較接近(除拱壩外，日本大壩壩身的設(shè)計(jì)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(guó)等則考慮動(dòng)力影響，將大壩壩身的加速度在地基加速度基礎(chǔ)上進(jìn)行放大).相對(duì)來說，我國(guó)重要大壩的設(shè)計(jì)地震加速度有所偏高，其設(shè)計(jì)加速度(100年超越概率2%)，達(dá)到或接近國(guó)外MDE的水平。而在MDE作用時(shí)，國(guó)外一般容許大壩發(fā)生一定程度的震害，只要保持水庫的蓄水能力即可。我國(guó)則要求地震時(shí)大壩的最大應(yīng)力不超過材料的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，即不容許出現(xiàn)裂縫。我國(guó)重要大壩設(shè)計(jì)地震加速度偏高的一個(gè)原因是沿用了1978年規(guī)范試行本中的一個(gè)規(guī)定，對(duì)于1級(jí)擋水建筑物，設(shè)計(jì)地震烈度可在基本烈度基礎(chǔ)上提高一度。當(dāng)時(shí)參照了前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中的一些規(guī)定。然而，前蘇聯(lián)在1981年施行的新規(guī)范中，對(duì)水工建筑物已經(jīng)取消了這一規(guī)定。這表明如何對(duì)重要大壩進(jìn)行抗震設(shè)防也是一個(gè)值得深入研究的問題。