大坝的抗震设防水准及相应性能目标

[文章编号]　100228412(2005)增刊20001206

大坝的抗震设防水准及相应性能目标

陈厚群

(中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心,北京100044)

[摘　要]　本文针对与大坝抗震设防水准和相应的性能目标确定有关的“抗震性能设计问题、国外大坝的抗震设

防水准和性能目标,以及对修订我国大坝抗震设防水准的建议等问题,作了初步探讨并提出以下论点:①时下流行的“抗震性能设计”与现行的工程抗震设计实践,似并无实质性差异。②大坝采用按M DE 的单级抗震设防水准,基本合理可行。③需加强对大坝溃坝准则定量化研究,逐步对特别重要的高坝,进行MCE 的性能目标校核。

[关键词]　大坝;地震动输入;抗震设防水准;性能目标;抗震性能设计[中图分类号]　T V64;T U352 [文献标识码]　A

Seismic Forti fication Levels and Performance Objectives for Large Dams

Chen Hou 2qun (China Institute o f Water Resources and Hydroppower Research ,Beijing 100044,China )

Abstract :The problems concerning the seismic fortification levels and per formance objectives for large dams are discussed in this paper.There are :comment on “seismic per formance 2based design ”;the review of international seismic fortification criteria for dams ;suggestion for revising the seismic fortification criteria in China.The following points of view are explained :(1).There is no essential difference between the prevalent now “seismic per formance 2based design ”and the current seismic design practice ;(2)A single seismic fortification level of M DE for m ost dams w ould be basically reas onable ;(3)I t is necessary to deepen studying on the quantification of criterion of dam collapse ,and to check the im portant dams with MCE per formance objective.

K eyw ords :large dam ;ground m otion input ;seismic fortification level ;per formance objective ;seismic per formance 2based design

[项目来源]　国家自然科学基金资助项目(90510017)

1　前言

任何工程结构的地震安全性评价都应包括地震动输入、结构地震响应、结构抗力这三个要素。它们

是不可或缺且相互配套的组成部分。对于如大坝等重大工程,尤显重要。目前混凝土大坝抗震研究的现状是,对结构地震响应的研究日益精细,而对地震动输入和结构抗力的研究则相当粗放,以至形成“两头大、中间小”的局面。实际是由“两头”控制了抗震安全性评价的水平。可能是因为“两头”都涉及更多的学科交叉问题,因而研究较少。

在地震安全性评价的三个要素中,地震动输入是首要前提。工程设计人员常常误认为这完全由地震部门决定,而地震部门一般又往往难以了解必须与之配套的工程技术要求。实际上,抗震设计中的地震动输入十分复杂,它至少应包含有抗震设防水

准和相应的性能目标的确定、主要地震动参数的选择、以及地震动输入的方式等三个主要方面。

在抗震设防水准和相应的性能目标的确定方面,上世纪九十年代,主要在美国,提出了所谓“抗震

性能设计(Performance -based Seismic Design )”的概念(“Performance -based ”也有译为“功能”的)。在国

内外多有被称作“研究前沿”、“发展方向”的“新概念”而成为工程抗震中的“热点”问题。引出诸多如:“采用风险分析”、“强调抗震措施”、“重视综合抗震能力”、“从强调结构共性到其个性”、“把单体分析扩展为结构系统分析”、“从线性分析转为非线性分析”、“以主要校核强度转为校核变形”、“以可靠度设计替代确定性设计”等所谓抗震性能设计的“特点”及其各种“定义”。

本文仅就与大坝抗震设防水准和相应的性能目标确定有关的“抗震性能设计”问题、国外大坝的抗震设防水准和性能目标、以及对修订我国大坝抗震

第27卷增刊2005年12月

工程抗震与加固改造

Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting

V ol.27,Supplement

Dec.2005

设防水准的建议等问题,作初步探讨,以便开展学术讨论,并望能为作者所主编的“水工建筑物抗震设计规范”的修订和正参与修编的国际大坝委员会(IC O LD)“大坝地震动参数选择导则(Selecting Seismic Parameters F or Large Dams)”提供参考。

2　关于“抗震性能设计”

实际上,“抗震性能设计”可以简要地概括为:“在不同的特定地震设防水准下,使结构能满足相应的抗震功能目标要求”。其内涵包括:①抗震设防水准需和性能目标相应;②分级设防;③性能目标需要定量化。这和目前国内外的工程抗震实践似并无本质差别。对此,分别简述如下:

211　抗震设防水准需和性能目标相应

任何抗震设计,无论是按“规范”设计的一般工程,或是超出规范适用范围而需要专门研究的重大工程,其抗震设防水准都必然要和一定的性能目标相对应。没有性能目标的设防水准是没有意义的。这也是国内外所有抗震设计规范、导则等在其总则中首先必须明确的。

任何设计都是在满足功能要求前提下,体现安全性和经济性间的相对平衡。所有各部门的抗震规范中,对于不同级别的结构,都规定了相应的抗震设防水准和其功能目标,正是体现了这个原则。对于重要工程,特别是像大坝这类社会影响大、公益性强的结构,安全性的保证应该是第一位的。当然,规范规定的通常只是具有共性的、对安全性应当满足的“最低要求”。在市场经济条件下,这与业主根据结构的特殊个性需要而提出的更高要求并不矛盾。

至于经济性,则在相当程度上,是随各国经济、社会环境和国情而定的。因而各国规范中的规定,常具有很强的政策性和社会性。此外,原则上,以“投资-效益准则”作为平衡造价与性能的原则,无疑是合理的发展方向。但问题在于当前对具体结构抗震安全投资和减少震害损失效益估算的可操作性。这个原则的实际应用,至少对大坝这类涉及面很广的复杂结构,近期还相当困难。特别是大坝产生严重震灾造成的次生灾害可能远大于结构本身破坏的损失,其中尤其是生命价值和社会影响如何体现尚存在争议。这就是为什么即使对于发生频率和灾害实例远高于地震灾害为多的洪水灾害而言,风险评价方法近期也尚难完全被接受。更不用说建立风险与性能指标的关系了。

还需要指出的是,包括抗震规范在内的我国各设计规范,正有逐步从强制性规范向推荐性规范转变的趋势。但同时也加强了对事关公共安全和社会影响较大的强制性条文的要求和管理。抗震设防水准和相应的性能目标要求,至少对于重要大坝工程,目前都是作为强制性条文的。是不能只根据业主按“投资-效益准则”的要求确定的。

所以,抗震设防水准与性能目标相应,本来就是抗震设计的基本原则;在目前的结构抗震设计及其规范中,也不是只注重结构安全性而忽视经济性,更不是因强调“共性”的基本要求而限制“个性”的更高要求。因此,不宜认为“规范准则”和“性能准则”有“本质”的不同而将其对立起来。

212　采用分级设防和多重性能目标

地震作用是偶然作用,相对于考虑结构正常作用的工况而言,属于校核性的偶然工况。一般不再进行分级抗震设防。

分级抗震设防的要求,首先是在核电站抗震设计中提出的。即:经过抗震设计的核电站,在发生〈运行基本地震(Oprating Basis Earthquake OBE)〉时,必须停堆检查,经确认未超越能保持正常运行的设计功能要求后,方能重新启动,继续运行。在发生〈安全停堆地震(Safe Shutdown Earthquake SSE)〉时,必须保证核电站能在规定时间内安全停止反应堆。同时,在设计中校核结构或设备动态响应时,针对这两类地震,应分别取不同的阻尼比值。

此外,早在1973年版的美国加利福尼亚结构工程师协会规范和1982年的CE B2FIP(欧洲混凝土委员会—国际预应力混凝土协会)混凝土结构设计规范中,都提出了分级抗震设防的设计原则。上世纪八十年代末,我国《建筑抗震设计规范》(G B J11289)中,己根据“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计功能目标要求,采用两级设防水准进行抗震设计。即:按50年内超越概率63%的常遇地震,用线弹性分析方法校核构件的强度;按50年内超越概率(2～3)%的罕遇地震,校核框架结构整体的层间弹塑性位移。在上述情况中,分级设防水准及其相应的抗震性能目标都是明确且可定量的。但目前中震可修的性能目标主要基于工程经验,对各类不同结构尚难定量化。

在国际大坝委员会(IC O LD)于1988年发布的第72号公报《大坝地震动参数选择导则(G uidelines for

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