水工建筑物壓力計算分析論文

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1問題的提出

當水工建筑物修筑在地震烈度7°（含7°）以上區(qū)域時，應進行抗震計算，以保證工程的正常運行。為做好水工建筑物抗震設(shè)計，水利部先后兩次編制《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》，即SDJ－78（試行）和SL203－97。

在執(zhí)行規(guī)范SL203－97過程中，發(fā)現(xiàn)4．9．1地震主動動土壓力計算公式中，對主動動土壓力系數(shù)Ce取值的提法值得商榷。

2地震主動動土壓力計算

《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》SL203－97中給出的地震主動動土壓力代表值計算公式為：

式中Fe——地震主動動土壓力代表值

qo——土表面單位長度的荷重

Ψ1——擋土墻面與垂直面夾角

Ψ2——土表面和水平面夾角

H——土的高度

γ——土的重度的標準值

φ——土的內(nèi)摩擦角

θe——地震系數(shù)角

δ——擋土墻面與土之間的摩擦角

ζ——計算系數(shù)，動力法計算地震作用效應時取1．0，擬靜力法計算地震作用效應時一般取0．25，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取0．35并規(guī)定，公式中的Ce應取式（2）中按“＋”、“－”號計算結(jié)果中的大值

3墻后填土為水平面時主動土壓力系數(shù)應小于1

主動土壓力按庫倫理論計算，墻后填土是砂土，只有內(nèi)摩擦角φ，沒有凝聚力C（若考慮凝聚力C的影響，則通過加大內(nèi)摩擦角的辦法，即采用“等值內(nèi)摩擦角φ0”將凝聚力C包括進去），因此主動土壓力系數(shù)是與土的內(nèi)摩擦角φ密切相關(guān)的。在墻后填土為水平面，砂性土內(nèi)摩擦角φ為15°～50°時，主動土壓力系數(shù)應小于1。

3．1地震主動動土壓力系數(shù)Ce計算公式中的明顯不合理

在SL203－97中4．9．1條地震主動動土壓力公式中，主動土壓力系數(shù)Ce值的大小關(guān)鍵在于，規(guī)范要求取“＋”、“－”號計算結(jié)果中的大值。此種提法不妥，因為采用時，Ce值肯定會大于1。

（1）地震主動動土壓力與靜土壓力計算不同，在于水工建筑物遭遇地震時主動動土壓力要考慮地震系數(shù)角θe的影響，θe是隨著地震烈度的大小而變化，其公式為：

式中ζ——計算系數(shù)，一般取0．25，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取0．35

αh——水平向設(shè)計地震加速度

αv——豎向設(shè)計地震加速度，應取2／3×ah

現(xiàn)將不同地震列度的θe值計算如表1，可供抗震設(shè)計時應用。

可見，當Ce取“－”號時得2．8891，數(shù)值不確切。

在進行抗震設(shè)計時，應將庫倫公式中的土容重γ，土的內(nèi)摩擦角φ和墻面與土之間的摩擦角δ，均按地震基本烈度對應的地震系數(shù)角θe，分別修正為λ／cosθe，φ－θe。

（2）取地震烈度7°，土的內(nèi)摩擦角φ為22°，11°，其余Ψ1、Ψ2為零的情況下，分析對Ce值的影響。不同φ值的Ce值計算如表2。

可見，Ce在采用時，其結(jié)果毫無實用價值。

3．2動土壓力與靜土壓力比值分析。

地震主動動土壓力包括靜土壓力和動土壓力，用兩者比值分析地震動土壓力系數(shù)Ce采用的正確性。

（1）利用公式分析

已知地震主動動土壓力系數(shù)為0．4318，而靜土壓力系數(shù)

（2）利用SDJ－78（試行）中公式核算

按公式

式中Ce——地震動土壓力系數(shù)，取4．0

Cz——綜合影響系數(shù)，取1／4

kH——水平向地震系數(shù)，7°度地震時為0．1

φ——內(nèi)摩擦角，22°

E——靜土壓力

動土壓力與靜土壓力比值為4％。

（3）利用SL203－97中4．9．1公式的編制說明近似估算主動動土壓力值和其比值。

經(jīng)過對某工程實例計算后，動土壓力與靜土壓力比值為5％。

4計算實例

現(xiàn)用某節(jié)制閘翼墻樁基整體穩(wěn)定實例進行分析，地震主動動土壓力經(jīng)采用不同計算方法，其結(jié)果見表3。

已知條件：扶壁式檔墻，墻長20m；墻底寬8．0m，墻后填土水平高度7．5m；填土等值內(nèi)摩擦角22°；翼墻墻面與土之間外摩擦角為11°。墻后水深6．78m土飽和容重為18．2kn／m3，遇7°地震時取地震系數(shù)角為1．46°。

由表3可看出SL203－97與GB50286－98地震主動動土壓力數(shù)值極其相近，但SL203－97動土壓力僅占靜土壓力的2．8％。其原因在于SL203－97中4．9．1－1公式含有數(shù)值。

當墻后填土表面為水平，且墻面無外荷，墻面與垂直面夾角（Ψ或α）為零時，簡化計算公式如下：

慮0．9833影響，計算結(jié)果為2486．5KN≈2487．3KN（GB50286－98），其動土壓力與靜土壓力比值亦為4．6％。

另外再分析SL203－97中4．9．1－1公式，計算系數(shù)ζ取0．25和0．35對地震主動動土數(shù)值的影響，見表5。

當ζ為0．35時，地震角取2．05°，則Ce值為0．4397，，和當ζ為0．25時，地震角取1．46°，則Ce值為明計算系數(shù)區(qū)分0．25和0．35實際意義不明顯。

5結(jié)語

（1）經(jīng)過分析計算，在采用SL203－97中4．9．1公式進行抗震設(shè)計時，地震主動動土壓力系數(shù)Ce應只取值計算，這和《堤防工程設(shè)計規(guī)范》GB50286－98、《港口工程技術(shù)規(guī)范》（1987年）、《水運工程建筑物抗震設(shè)計》JTJ201－84及《水工設(shè)計手冊》第七卷擋土墻部分的規(guī)定相一致。

（2）在采用SL203－97中4．9．1公式時，計算系數(shù)不再區(qū)分0．25和0．35。

（3）建議SL203－97中4．9．1公式與《堤防工程設(shè)計規(guī)范》GB50286－98中當?shù)卣鹪O(shè)防時主動動土壓力庫倫公式相統(tǒng)一。

參考文獻：

(1)甘維義，甘城．《水工設(shè)計手冊》[S]．水利電力出版社，1982．

(2)馮國棟等．《土力學地基與基礎(chǔ)》[M]．中國工業(yè)出版社，1963．

(3)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》SL203－97[S]．水利電力出版社，1998．

(4)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》SDJ10－78[S]．水利電力出版社，1978．

(5)《水運工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》JTJ201－84[S]．人民交通出版社，1984．

(6)《港口工程技術(shù)規(guī)范》[S]．人民交通出版社，1987．