（水工结构工程专业论文）基于分项系数极限状态设计的水闸结构设计分项系数套改研究.pdf

叫川人学坝j 一学位论文 y 7 7 7 8 9 4 8 基于分项系数极限状态设计的 水闸结构设计分项系数套改研究 水工结构工程专业 硕士研究生：刘世建指导教师：陈建康 摘要 目前水闸工程结构设计所采用的设计准则仍为单一安全系数法，即将各种作 用、结构尺寸、材料性能等因素作为确定性因素考虑，最后用一个概略的安全系 数来包容解决各种不确定因素可能引起的安全问题。显然，其不能定量、科学地 反映水闸工程的可靠性，因为单一安全系数法忽略了水压力、边界条件、材料性 能、几何参数等的客观变异性。而基于可靠性理论的极限状态设计法则可克服这 一缺陷，使工程结构设计更为科学、合理。 国外土木工程领域，许多欧美国家己按可靠度理论修订了专业设计标准，并 己辅助实施。我国白1 9 8 5 年以来，建设、铁道、交通、能源和水利五个部fj 的相 关设计规范已经或正在按分项系数极限状态法修订。水电领域已修订并颁和实施 的相关标准规范有水工混凝土结构设计规范( s l t1 9 1 9 6 ) 、水工建筑物抗 震设计规范( s l 2 0 3 9 7 ) 、水工建筑物荷载设计规范( d l 5 0 7 7 1 9 9 7 ) 、混凝 上重力坝设计规范( d l 5 1 0 8 1 9 9 9 ) 等，以分项系数极限状念为设计准则的混凝 士拱坝设计规范也讵在修订之中。在水闸设计、施工等技术、理论不断积累和日 益完善的条件下，通过套改方法促进水闸结构设计向基于可靠度理论的分项系数 极限状态设计十分必要。 本文结合水闸设计规范修订之水闸结构设计分项系数套改研究选题，遵 照水利水电j 。程结构可靠度设计统标准( g b5 0 1 9 9 9 4 ) ，在查阅国内外大 量相关文献资料基础 = ，主要进行了上、岩基上水闸抗力参数统计特征，闸窀抗 7 4j i 人学坝一1 1 学位论文 滑、抗浮及基础承载力等极限状态袋达式的提炼，分项系数( 尤其是材料性能分 顼系数与结穗系数) 静磅究，蘩次鞍系统蘧疆蠢了承阕结梅菠诗疆袋获悉袭 达式及分项系数( 套改) ，并以四川销九座水闸工程予以检验，成果合理，对水 闸设计规范修订具裔实际应用价德和指导意义。 主委谚究袋象： ( 1 ) 水闸、岩硪基抗剪参数统计特征研究。通过查阅圈内外大量褶关文 献及土、岩地基材料试验资料，提娃 了岩、土地撼抗剪参数之统计参数及分柑 规律。 ( 2 ) 、岩魏基东黼抗淆稳定辍鞭状态及分矮系数磺究。襟攒缓行溪范主、 岩基水闸抗滑稳定计算公式，形成其相应承载能力极限状态方穰，对y 。、一，谶 行重点研究，获得了相应成果。 ( 3 ) 岩逮基容许承载糍力极羧羧态与努矮系数磅究。攫摄筏行援葱土、 岩基抗压强度要求，建立出闸基承裁力极限状态方程，获得了对应的y 矿r ，。 ( 4 ) 闸室抗浮稳定极限状态与分项系数研究。根据现行规范，建立了闸撼 菝浮极羧状态极羰方程，获撂了楣痰静。 ( 5 ) 岩基上翼璃抗倾覆稳定穰阪状态与分顼系数研究。遵循璐行蕊蓬，形 成岩基上翼墙抗倾覆稳定极限状态方程，获得了相应的n 。 ( 6 ) 水阐间室稳定体系可靠魔初探。闻室稳定有较高的体系可靠指标。 关键词：水闸可靠鹰极限状态分项系数结构没计体系可靠度 塑型奎耋堡圭耋堡墼圣 s t u d yo fs l u i c es t r u c t u r ed e s i g np a r t i a lc o e f f i c i e n t sr e v i s i o n b a s e do up a i r t i a lc o e f f i c i e n t sl i m i ts t a t e m a j o r ：h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：l i u s h i j i a n a d v i s o r ：c h e r t j i a n k a n g a b s t r a c t s i n g l es a f e t yc o e f f i c i e n tm e t h o di ss t i l lt h ed e s i g nc r i t e r i o no f s l u i c ee n g i n e e r i n g s t r u c t u r ed e s i g np r e s e n t l y i tc o u n tt h ev a r i o u sl o a d ，s t r u c t u r ed i m e n s i o n ，m a t e r i a l f e a t u r e ，e t ct ob ec e r t a i n t yf a c t o r , a n ds o l v et h es a f e t yp r o b l e mc a u s e db yv a r i o u s u n c e r t a i n t yf a c t o rt h r o u g has u r m n a r ys a f e t yc o e f f i c i e n t o b v i o u s l y , t h em e t h o dc a n t r e f l e c ts l u i c ee n g i n e e r i n gq u a n t i t a t i v ea n ds c i e n t i f i c l y , b e c a u s ei ti g n o r et h eo b j e c t i v e v a r i a b i l i t yo fw a t e rp r e s s u r e ，b o u n d a r yc o n d i t i o n ，m a t e r i a lf e a t u r ea n dg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r l i m i ts t a t em e t h o db a s e do nr e l i a b i l i t yt h e o r yc a ny e to v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g e ，a n dm a k et h ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r ed e s i g nb em o r es c i e n t i f i ca n d r e a s o n a b l e ， i nt h ef i e l do ff o r e i g nc i v i l e n g i n e e r i n g ，m a n y c o u n t r i e so fe u r o p ea n d a m e r i c a nh a dr e v i s e dt h es p e c i a l t yd e s i g nc r i t e r i o n sa c c o r d i n gt or e l i a b i l i t yt h e o r y a n dh a dp u ti n t oe f f e c t s i n c e1 9 8 5i nc h i n a ，t h ec o r r e l a t i v ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n si n m i n i s t r i e so fc o n s t r u c t i o n , r a i l w a y s ，c o m m u n i c a t i o n s , e n e r g ya n dw a t e rc o n s e r v a n c y h a da l r e a d yo ra r eg o i n gt ob e e nr e v i s e da c c o r d i n gt op a r t i a lf a c t o r sl i m i ts t a t e m e t h o d s o m ec o r r e l a t i v ec r i t e r i o n so rs p e c i f i c a t i o n si nh y d r o e l e c t r i c i t yf i e l dh a d b e e np r o m u l g a t e d ，s u c ha sd e s i g ns p e c i f i c a t i o nf o rh y d r a u l i cc o n c r e t es t r u c t u r e ( s 坍1 9 1 9 6 ) ，s p e c i f i c a t i o n sf o rs e i s m i cd e s i g no f h y d r a u l i cs t r u c t u r e s ( s l 2 0 3 9 7 ) s p e c i f i c a d o n s f o rl o a dd e s i g no fh y d r a u l i cs t m c t u r e s ( d l 5 0 7 7 - 1 9 9 7 ) ，d e s i g n s p e c i f i c a t i o n sf o rc o n c r e t eg r a v i t yd a m s ( d l 5 1 0 8 1 9 9 9 ) d e s i g ns p e c i f i c a t i o n sf o r c o n c r e t ea r c hd a n ai sb e i n gr e v i s e d 、v i mt h ed e s i g nc r i t e r i ao fp a r t i a ls a f e t y c o e f f i c i e n t sl i m i ts t a t e u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h et e c h n i q u ea n dt h e o r yo fs l u i c e d e s i g na n dc o n s t r u c t i o na r ec o n t i n u o u sa c c u m u l a t e da n dg r a d u a l l yc o n s t u n m a t e d ，i t i sq u i t en e c e s s a r yf o rs l u i c et ob ed e s i g n e dw i t hp a r t i a lc o e f f i c i e n t sl i m i ts t a t em e t h o d o f r e l i a b i l i t yt h e o r yt h r o u g hr e v i s i n g n l et h e m ei nt h i sa r t i c l ew a ss e l e c t e da c c o r d i n gt os h f i c es t r u c t u r ep a r t i a l c o e f f i c i e n t sr e v i s i o ns t u d yo fd e s i g ns p e c i f i c a t i o nf o rs m c e f o l l o w i n gu n i l i e d d e s i g ns t a n d a r df o rr e l i a b i l i t yo rh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gs t m c t u r e s ( g b5 0 1 9 9 9 4 ) ， t i f f sa r t i c l eh a da b s t r a c t e dt h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e ro fs l u i c e r e s i s t i n g f o r c e p a r a m e t e ri ns o i la n dr o c kf o u n d a t i o na n dt h eu l t i m a t es t a t ee x p r e s s i o ns u c ha s s t a b i l i t ya g a i n s ts l i d i n go fs l u i c e ，s t a b i l i t ya g a i n s tf l o a t i n g o f s l u i c e ，b e a r i n g c a p a c i t yo f f o u n d a t i o n ，e t cb a s e do nal o to f d o m e s t i ca n do v e r s e a sc o n s u l t e da r t i c l e ， a n dm a i n l ys t u d yo np a r t i a lc o e 伍c i e n t so fm a t e r i a lf e a t t i r ea n ds t r u c t u r a lc o e f f i c i e n t b e s i d e ，i ts y s t e m a t i c a l l ye x t r a c tt h ef o r m u l ao ft h eu l t i m a t el i m i ts t a t ea n dp a r t i a l c o e m c i e n t si ns l u i c es t r u c t u r ed e s i g nf o rt h ef i r s tt i m e i t sr a t i o n a l i t yw a sv e r i f i e d t h r o u g hn i n es l u i c ee n g i n e e r i n gi ns i c h u a np r o v i n c e ，a n di ti sv a l u a b l ei np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n sa n dd i r e c t i v ef o rt h er e v i s i o no f d e s i g ns p e c i f i c a t i o nf o rs l u i c e m a i nr e s e a r c hf i n d i n g s ： ( 1 ) s t u d yo ns o i la n dr o c kf o u n d a t i o ns h e a rs t r e n g t hs t a t i s t i c a lc h a r a c t e ri ns l u i c e t h i sa r t i c l eh a da b s t r a c t e di t ss t a t i s t i c a lp a r a m e t e ra n dd i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t yt h r o u g h c o n s u l t i n gl o t so f d o m e s t i ca n do v e r s e a sa r t i c l e sa n dt e s t i n gd a t a ( 2 ) s t u d yo nl i m i ts t a t eo f t h es t a b i l i t ya g a i n s ts l i d i n go f s l u i c ea n dp a r t i a lc o e f f i c i e n t s i ns o i la n dr o c kf o u n d a t i o n a c c o r d i n gt ot h ef o r m u l ao f s t a b i l i t ya g a i n s ts l i d i n go f s l u i c ei np r e s e n ts p e c i f i c a t i o n ，t h ea r t i c l eh a ds e tu pc o r r e l a t i v ee q u a t i o no f u l t i m a t e l i m i ts t a t e ，s t u d yw a s p u te m p h a s e so np a r t i a lc o e f f i c i e n to f m a t e r i a lf e a t u r ea n d s t r u c t u r a lc o e f f i c i e n ta n dc o r r e l a t i v ef i n d i n g sw e r ea c h i e v e d ( 3 ) s t u d yo nl i m i ts t a t eo f b e a r i n gc a p a c i t ya n da n dp a r t i a lc o e f f i c i e n t si ns o i la n d r o c kf o u n d a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f b e a r i n gc a p a c i t yi np r e s e n t s p e c i f i c a t i o n ，c o r r e l a t i v eu l t i m a t el i m i ts t a t ee q u a t i o nw a ss e tu p , a n dt h ep a r t i a l c o e m c i e n to f m a t e r i a lf e a a t r ea n ds t m c t u r a lt o e f f i c i e n tw a sa c h i e v e d ( 4 ) s t u d yo nl i m i ts t a t eo f s t a b i l i t ya g a i n s tf l o a t i n gi ns l u i c ea n dp a r t i a lc o e f f i c i e n t s ， t h ec o r r e l a t i v es t r u c t u r a lc o e f f i c i e n tw a sa c h i e v e d ( 5 ) s t u d yo nl i m i ts t a t eo f w i n gw a l ls t a b i l i t ya g a i n s to v e r t u r ni nr o c kf o u n d a t i o na n d p a r t i a lc o e f f i c i e n t s ，t h ec o r r e l a t i v es t r u c t u r a lc o e f f i c i e n tw a sa c h i e v e d ( 6 ) p r e l i m i n a r yd i s c u s so f s l u i c es y s t e mm l i a b i l i t y i ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e m r e l i a b i l i t yi n d e xo f s l u i c ei sb i g g i s h k e y w o r d s ：s l u i c e r e l i a b i l i t y u l t i m a t es t a t e p a r t i a lc o e f f i c i e n t s s t r u c t u r ed e s i g n s y s t e mr e l i a b i l i t y v 叫川人学坝j 学位论义 1 绪言 1 1 可靠度理论发展沿革 结构可靠度的研究始于2 0 世纪3 0 年代，当时主要是围绕飞机失效进行研 究，并在4 0 5 0 。年代应用于航空工业，以后在电子工业中得到广泛应用。1 9 6 9 年，美国康耐尔( c o r n e l l ) 提出了失效概率与可靠度指标作为衡量结构安全 的统一度量指标。自此，结构设计中应用可靠度理论开始达到实用阶段。结构 可靠度理论的发展和应用可划分为三个阶段( 或水准) ： ( 1 ) 半经验半概率阶段( 水准i ) 。设计变量根掘数理统计，按一定分位数 取值，结构安全度以安全系数表达，并和设计变量取值标准相匹配。 ( 2 ) 近似概率阶段( 水准1 i ) 。设计变量当作随机变量，用随机变量的统计 参数( 平均值和标准值) 和概率分布类型描述，结构安全度以失效概率或可靠指 标度量。 ( 3 ) 全概率法( 水准1 1 1 ) 。理论上按随机变量进行统计分析，对极限状态方 程随机变量分布类型等尽量不做近似简化处理，这是完全基于概率理论的设计 方法。 1 1 1 国外可靠度理论发展概况 早在4 0 年代，原联邦德国的迈耶( m a y e r ) 和前苏联的柯察洛夫提出应用概 率理论进行结构安全度分析。美国土木工程学会结构安全度委员会早在2 0 世 纪5 0 年代就开始研究安全度的定义，得出以概率论定义安全度比较科学的研 究结果；加拿大标准协会提出了以概率理论编制新的钢结构规范。经一批学者 的论证，1 9 5 7 年朱利安( j u l i a n ) 在美凰土木工程协会( a s c e ) 所属的结构物安全 度问题委员会上做了初步进展的报告，1 9 6 6 年弗罗伊登彻尔( f r e u d e n t h a l ) 在 a s c e 所属的委员会上做了总结性报告，这一时期的可靠度理论仅仅局限于古典 可靠度理论。此后，首次由康耐尔( c o r n e l l ) 提出了比较系统的一次阶矩 ( f o s m ) 设计方法，使可靠度理论进入实用阶段。7 0 年代可靠度理论得到飞速发 展，加拿大人林德( l i n d ) ) 将可靠指标口表达为设计人员熟悉的分项系数形式； 原联邦德国的拉克维茨( r a c k w it z ) 等人提出了改进的验算点法，为可靠度理论 的推广奠定了坚实的基础。7 0 年代后期，近似概率设计法非常发展迅速，许多 美欧国家相继在结构设计中采用了半经验半概率的多系数极限状念设汁法。 叫j 1 1 人学坝l 学位论史 经过众多学者艰苦的研究工作，在1 9 7 6 年国际结构安全度联合委员会 ( j e s s ) 上，采用了拉克维茨( r a c k w i t z ) 和菲斯莱( f i e s s e f ) 等人提出了“当量 f 态”法，考虑随机变量实际分布的二阶矩模式，从而提高了二阶矩模式的精 度。至此，二阶矩模式的结构可靠度表达式与设计方法进入实用阶段。随着可 靠度理论应用的扩大和研究的深入，结构可靠度的研究也逐渐由基于概率分析 的结构构件可靠度和结构体系可靠度的研究，延伸到基于结构的某一设计性能 或使用功能的可靠性设计。 同时，国际学术组织为可靠度的发展起到了很大作用。2 0 世纪7 0 年代初，由 欧洲混凝土委员会( g e b ) 倡议，成立了由欧洲混凝土委员会、欧d 1 i l c n 结构大会、 国际房屋建筑委员会、国际预应力协会、国际桥梁与结构工程协会、国际材料试 验实验室联合会等六大国际组织参加的国际结构安全度联合委员会( j c s s ) ，并于 1 9 7 4 年编制了一套结构统一标准规范的国际体系文件，其中第一卷“对各类 结构和各种材料的共同统一规则”于1 9 7 6 年完成。所有这些资料、动态、成果刺 我们很有启发作用，使我们眼界大开。在课题组内，大家经过热烈深入地讨论， 淑得了以概率理论解决结构安全度和荷载组合问题的共识，并作为主攻方向。 国际标准化组织( i s o ) 曾于1 9 7 3 年提出了结构安全性验证的总原则 ( i s 0 2 3 9 4 ) ，1 9 8 6 年又公布易名为结构可靠性总原则，对工程结构可靠度设 计方法的推广具有指导意义。目前国际上大多数国家的规范已采取了基于概率 可靠度的极限状态设计思想，而且分项系数的实用设计表达式易于被实际工程 设计人员接受。 此外，加拿大、原联邦德国、北欧五国、美国和英国均以可靠度理论制修 订了某些专业的设计标准。 1 】2 国内可靠度理论发展概况 我国结构可靠度理论的研究起步相对较晚，于5 0 年代初期丌展了极限状态设 计法的研究，6 0 年代曾广泛开展结构安全度的研究与讨论，7 0 年代丌始，把半经 验半概率的方法( 水准i 法) 用到6 种结构设计的规范中，至8 0 年代，我国已掀起 结构可靠度研究和应用的热潮，涌现出一批结构可靠度理论的专著，研究成果被 应用于许多大型工程。 叫川火学颂j ：学位论史 我国工民建结构在6 0 年代后逐步采用半经验半概率的多系数极限状念设计 法。而水工结构设计规范不太统一，水工钢筋混凝土结构设计规范采用半经验 半概率的单一安全系数法设计，其他规范基本为经验安全系数容许应力设计方 法。1 9 7 6 年并u 1 9 7 8 年由原国家建委下达了“建筑结构安全度及荷载组合”课题 研究和国家标准建筑结构设计统一标准( g b j 6 8 8 4 ) ( 简称建筑统标) 的 编制，可靠度理论丌始在国内有组织地系统地研究。建筑统标于1 9 8 4 年颁 斫i 实施，后陆续按该标准规定的原则和方法修订了建筑结构专业设计舰范。作 为它的二级标准，钢结构设计规范( g b j l 7 8 8 ) 也随后颁布实行。 国内自1 9 8 5 年成立全国工程基础标准技术委员会以来，可靠度理论在工 程结构中的应用发展的很快。目前建设、铁道、交通、能源和水利五个部的建 筑结构、铁道工程结构、港口工程结构、公路工程结构和水工结构五个设计部 门的所有的规范，都正在或计划使用可靠度理论进行编写或修改。 2 0 世纪8 0 年代以来，借鉴国外先进经验，同时仍以国内实测统计资料为基础， 立足国内大规模建设经验，形成了以概率理论为基础的建筑结构可靠度设计方法 一基于概率的极限状态设计方法，这是原建筑结构设计统一标准( g b j 6 8 8 4 ) 的基本特点。在该标准的影响和国家工程建设标准主管部门的推动下，这套设计 方法从房屋建筑领域扩大到铁路工程、公路工程、港口工程、水利水电工程领域。 1 9 8 5 年，国家计委组织建筑、铁路、公路、水运和水利五大部门编写工程结构 可靠度设计统一标准( g b5 0 1 5 3 9 2 ) ，它的二级标准港口工程结构可靠度设 计统一标推( g b5 0 1 5 8 9 2 ) 、铁路工程结构可靠度设计统一标准( g b5 0 2 1 6 - 9 2 ) 、 水利水电工程结构可靠度设计统一标准( g b5 0 1 9 9 9 4 ) 、公路工程结构可 靠度设计统一标推( g b t 5 0 2 8 3 9 9 ) 及三级标准水工混凝土结构设计规范 ( s l t1 9 1 9 6 ) 和混凝土重力坝设计规范( d l5 1 0 8 1 9 9 9 ) 也随后完成。如此 全方位地实旌工程结构可靠度设计统一体系，可以不夸张地说，是我固改革丌放 政策在工程结构可靠度设计领域取得的重大科技进步。当然也要看到工程结构可 靠度是一个复杂的科学技术问题尚有许多攻关任务有待进一步攻克，有待进一 步改进完善。 旧川人学坝f 学位论义 1 9 9 2 年在河海大学召丌的“工程结构可靠性全国第三届学术讨论会”再一 次将结构可靠度在国内的研究推向高潮。1 9 9 5 年在西安又成功地召丌了“工程 结构可靠性全国第四届学术讨论会”，标志着可靠度研究仍保持持续发展的良 好势头。至今，在我国的土木、水利工程应用领域，可靠度理论的研究已历经 了2 0 余年。在这2 0 余年的时间旱，一方面工程可靠性理论在众多工程领域中得 到检验；另一方面，通过反复认识和大量实践，工程可靠性研究已在理论上不断 地深化，在实践上正逐步转向更有效地为工程服务。 1 2 水闸规范按可靠度理论套改的必要性 目前水闸工程结构设计所采用的设计准则仍为单一安全系数法，即将各种作 用、结构尺寸、材料性能等因素作为确定性因素考虑，最后用一个概略的系数来 包容解决各种不确定因素可能引起的安全问题。但是，我们应注意到：影响水闸 结构设计的因素，如水压力、边界条件、材料性能、几何参数等均为随机变量， 存在客观变异性，仅考虑单一的安全系数会使结构设计显的粗糙而不能反映不同 类型结构的可靠程度；采用可靠度设计原则，则能够相对合理地反映实际情况， 克服上述缺点。 随着可靠度设计原则在水利水电工程中的推广应用，将来对大坝和水工建筑 各个组成部分的可靠度及设计水平都要以一个统一的、新的尺度来评价，而不像 目前这样没有统一的尺度，不好比较、借鉴，难见高低。这也f 是可靠度设计原 则的优点之一。可以预见，今后我国水利水电工程结构设计领域将单一安全系数 法过渡到可靠度设计原则，这将是设计理论上一次较大的进步，是人们在长期1 程实践中不断加深印象的结果。 自从上个世纪7 0 年代以来，国际上以概率统计为基础的可靠度设计方法 逐步进入实用阶段，且随着概率统计理论在工程领域中的应用，基于结构可靠 度的设计方法开始为各学科逐步接受和推广。在此趋势下，水电部门也相应地 玎展了可靠性设计方法下的规范制定与修改工作，以及大量的理论研究、资料 收集、数据实测等工作，结合自身的具体条件和实践经验，在满足水工建筑 物结构设计符合安全适用，经济合理、技术先进的要求上，于1 9 9 4 年制定了 四川大学侦十学位论文 水利水电工程结构可靠度设计统一标准( g b5 0 1 9 9 9 4 ) ( 水工统标) 。 此标准采用概率极限状态法设计原则，以分项系数极限状态为实用设计方法。 分项系数极限状态设计方法，引进了先进的可靠度设计理论，采用概率极限状 态设计原则为基础，综合分析影响结构可靠性的各种因素其变异性和不定性， 推出一整套分项系数，按分项系数设计表达式进行结构设计，以结构的失效概 率( 或与之相对应的可靠指标) 度量结构构件的可靠性。分项系数极限状态设计 法比单一的安全系数法更能反映工程的客观可靠性。 以水工统标为基本准则，水电部门逐步开展了基于可靠性设计方法的水 工结构设计标准、规范的修订工作。目前，已经成功修订出的设计规范包括有： 水工钢筋混凝土结构设计规范( s l t1 9 1 - 9 6 ) 、水工建筑物抗震设计规范 ( s l 2 0 3 9 7 ) 、水工建筑物荷载设计规范( d l 5 0 7 7 1 9 9 7 ) 、混凝土重力坝设计 规范( d l 5 1 0 8 1 9 9 9 ) ，以分项系数极限状态为设计方法的混凝土拱坝设计规范 也证在修订之中。 水闸在水利工程中的应用十分广泛，从已建的水利工程看，水闸占了相当 大的比重，尤其是在小型水利工程中，至1 9 9 1 年，全国已建成水闸2 9 j 座。 水电事业在刚过去的十多年里得到了蓬勃发展，在今后的水利工程建设和应用 中，水闸建设仍然是不可或缺的，因此水闸的结构安全性是值得我们密切关注 的问题，我们必须处理好这一关键环节。若水闸结构设计依旧采用传统的单一 安全系数法，而不考虑结构属性的不稳定性和变异性，加上设计和施工中人为 误差和错误的出现，将会大大影响结构的可靠性。应用可靠性理论，推行结构 概率设计方法取代传统的单一安全系数法是当今国内外结构设计发展的必然 趋势。而随着水工结构多项新规范的颁布，且水闸理论、方法、经验的r i 臻完 善、丰富以及新建水闸工程规模增大、结构型式不断创新、对失事后的诸多考 虑等，都让我们体会到，水闸规范的修订势在必行。 总之，采用以可靠度理论为基础的极限状态设计理论和分项系数极限状念 设计方法不仅适应当前国际技术发展的基本趋势，也是工程结构设计规范应具 备的基本功能，其影响深远，意义重大。 u q 川大学侦l 学位论立 1 3 主要研究内容 本文以国家水闸设计规范修订课题中水闸结构设计分项系数套改研究 为背景，遵循水利水电工程结构可靠度设计统一标准( g b5 0 1 9 9 9 4 ) ，对现 行水闸设计规范闸室稳定、闸基抗压强度、闸室抗浮稳定、岸墙及翼墙稳定、 岩基上翼墙抗倾覆稳定等结构分析方法按套改原则修订为分项系数极限状态 设计表达式。 ( 1 ) 不同作用效应组合下，土基、岩基上水闸闸室稳定承载能力极限状态 设计方法及分项系数研究，并将分项系数应用于实际水闸工程检验其合理性。 ( 2 ) 不同作用效应组合下，土基、岩基上水闸闸基抗压强度承载能力极限 状态设计方法及分项系数研究，并将分项系数应用于实际工程检验其合理性。 ( 3 ) 闸基抗浮稳定承载能力极限状态设计方法及分项系数研究，并将分项 系数应用于实际工程检验其合理性。 ( 4 ) 土基、岩基上水闸岸墙、翼墙抗滑稳定承载能力极限状态设计方法及 分项系数研究。 ( 5 ) 土基、岩基上水闸岸墙、翼墙基底抗压强度承载能力极限状态设计方 法及分项系数研究。 ( 6 ) 岩基上翼墙抗倾覆稳定极限状态设计方法及分项系数研究。 ( 7 ) 各种作用效应组合下闸室抗滑稳定可靠度指标检验，以及实际：【程可 靠度指标检验。 ( 8 ) 闸室稳定体系可靠度分析方法初探。 叫川人学顺：卜学位论义 2 水闸结构设计极限状态及其分项系数 2 1 极限状态设计原则及分项系数极限状态设计方法 2 1 1 极限状态设计原则 根掘水利水电工程结构可靠度设计统一标准( c b 5 0 1 9 9 9 4 ) ( 简称水 = 统标) 规定，极限状态设计应遵循以下原则： ( 1 ) 水工结构应按承载能力极限状态及正常使用极限状念设计。 ( 2 ) 水工结构设计应对结构的各种极限状态规定明确的标志及限值。 ( 3 ) 当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态： 整个结构或结构的一部分失去刚体平衡。 结构构件因超过材料强度而破坏( 包括疲劳破坏) ，或因过度的塑性变 形而不适于继续承载。 结构或结构构件丧失弹性稳定。 整个结构或结构的一部分转变为机动体系。 土、石结构或地基、围岩产生渗透失稳等。 ( 4 ) 结构或结构构件达到影响正常使用或耐久| 性的限值，且结构出现下列 状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态： 影响结构正常使用或外观的变形。 对运行人员或设备、仪表等有不良影响的振动。 对结构外形、耐久性以及防渗结构抗渗能力有不良影响的局部破坏。 影响正常使用的其它特定状态。 ( 5 ) 结构按正常使用极限状态设计的功能限值，应由各类水工结构设计规 范根据各种功能要求提出。 ( 6 ) 水工结构的破坏可分为两类，其中第二类破坏的结构的可靠度应高1 i 第一类。 一类破坏：非突发性的破坏，破坏前能预见到明显征兆，破坏过程缓慢。 二类破坏：突发性的破坏，破坏前无明显征兆，或结构一旦发生事故 难于补救或修复。 ( 7 ) 结构设计时，应根掘结构在施工、安装、运行、检修不同时期可能出 现的不同作用、结构体系和环境条件，按以f 三种设计状况没计： 到川i 大学颂士学位论文 持久状况； 短暂状况； 偶然状况。 ( 8 ) 对三种设计状况均应按承载能力极限状态进行设计。对持久状况，尚 应按f 常使用极限状态设计；对短暂状况，可根据需要按币常使用极限状态设 计；对偶然状况，可不按正常使用极限状态设计。 ( 9 ) 对于偶然状况，应按下列原则进行设计： 对主要水工建筑物的主要承载结构，应按作用效应的偶然组合进行设 计，或采取防护措施，使其不致丧失承载能力。 对次要水工建筑物及主要水工建筑物的非主要承载结构，允许产生局 部破坏，但不得影响主要水工建筑物主要承载结构的安全。 2 1 2 分项系数极限状态设计方法 2 1 2 1 承载能力极限状态设计表达式 根据水工统标，对承载能力极限状态基本组合，采用的设计表达式为： 1， y o s ( 段j g k ，g ，日) 二尺( 上，a k ) ( 2 1 ) 乃iy 。 式中，结构重要性系数； 设计状况系数； s ( ) 作用效应函数： 月( ) 结构抗力函数： g 。永久作用的标准值； 托永久作用的分项系数； q 可变作用的标准值； ，可变作用的分项系数； 口。几何参数的标准值； y 。承载能力极限状态基本组合的结构系数； 材料性能的标准值； y 。材料性能分项系数。 川川人学烦卜学位论史 对偶然组合，采用的设计表达式为： 1， s ( q ，a ，y q q k ，吒) l 尺( 丛，q ) ( 2 2 ) y a z，。 式巾，爿。偶然作用的代表值： q 可变作用的标准值，与偶然作用同时出现的某些可变作用，其标 准值也可根据观测资料和工作经验适当折减； 一，：承载能力极限状态偶然组合的结构系数。 其他符号意义同前。 2 21 2 正常使用极限状态设计表达式 根据水工统标，对正常使用极限状态作用效应的短期组合，作用分项系 数、材料性能分项系数可采用1 0 ，并可采用下列设计表达式： s ( q ，g ，五，吼) 二 ( 2 3 ) y a 3 式中，c 结构的功能限值： 只，正常使用极限状态短期组合的结构系数。 对f 常使用极限状态作用效应的长期组合，作用分项系数、材料性能分项 系数可采用1 0 ，可变作用的标准值应乘以小于1 0 的长期组合系数p ，并可采 用下列设计表达式： s ( g ，p 包，五，吼) 上，_ ( 2 - 4 ) y d 4 式中，f 常使用极限状态长期组合的结构系数。 本文主要讨论承载能力极限状态设计表达式套改原则和分析方法。 2 2 水闸结构分项系数套改原则与分析方法 2 21 分项系数套改原则 ( 1 ) 遵循水工统标。 ( 2 ) 采用现行水闸设计规范( s l2 6 5 2 0 0 1 ) 荷载及结构分析模式。 ( 3 ) 闸体混凝土结构分项系数极限状态方法与混凝土重力坝设计规范 ( d l5 1 0 8 1 9 9 9 ) 一致。 叫川人学删j 学位论义 2 2 2 分项系数套改原理 2 22 1 结构重要性系数 结构重要性系数主要反映了水闸的安全级别。根据水工统标，结构 安全级别为j ( 1 级建筑物) 、1 i ( 2 、3 级建筑物) 、l i i ( 4 、5 级建筑物) 的水闸， 其结构重要性系数分别为1 1 ，1 0 ，0 g 。 2 2 2 2 设计状况系数 设计状况系数反映了结构不同设计状况下应有不同的目标可靠度指标。 参照混凝土重力坝设计规范( d l5 1 0 8 1 9 9 ) 、混凝土拱坝设计规范( 征求 意见稿) ，水闸结构持久状况、短暂状况、偶然状况的设计状况系数可分别取 1 0 ，o 9 5 ，o 8 5 。 2 2 2 3 作用分项系数 根据水工统标7 0 3 2 条规定 分项系数y ，可按下式计算： 巧5 鲁 式中，e 作用的标准值； b 作用的设计值。 根据水工统标7 ，0 ，6 条规定 型，分别按下列公式计算： ( 1 ) f 念分布： 驴鬻 ( 2 ) 对数正态分布： 考虑作用对其标准值的不利变异，作用 ( 2 5 ) 作用分项系数可根掘作用的概率分仰模 y ，= e x p l 呱r ) l n ( 1 + 巧引 ( 26 ) ( 2 7 ) 纠川人学倾一二学位论文 ( 3 ) 极值i 型分布： 1 0 4 5 0 0 5 嗲1 0 7 7 9 7 0 c ? r1 n 一j n 矿( 世，) 7 ，2 而0 4 5 0 0 两5 ( 5 丽7 7 9 7 0 而6n n 丽蕊 1 一 ，一0 ，1 一li 巧( k ，) l ( 2 - 8 ) k 2 ( 最) ( 2 9 ) k ，：= ( 弓：) ( 2 一i o ) 式中，占，作用的变异系数； 只、p ，分别为相应于作用于设计值、标准值在标准正态分布上的概率，p ， 宜在其设计验算点附近选用。 由公式( 2 6 ) 式( 2 8 ) 可知，作用分项系数的取值与作用的概率分布类型密 不可分。在水工建筑物荷载设计规范( d l5 0 7 7 1 9 9 7 ) 的制定中，国家曾列入 科技攻关和自然科学基金项目予以支持，有关单位和学者进行了大量富有成效的 工作，该规范的出版，为水工结构进入可靠性设计阶段奠定了曝实基础，为各水 工建筑设计规范的修订提供了自u 提条件。对各种作用分项系数，本文直接采用水 工建筑物荷载设计规范( d l5 0 7 7 1 9 9 7 ) 所规定之分项系数。 ( 1 ) 永久作用分项系数 水闸在设计和运行中，承受的永久荷载包括：自重( 包括建筑物自重和永久 设备自重) 、水重、静水压力、扬压力、土压力、淤沙压力。水闸上的永久作用 分项系数可按水工建筑物荷载设计规范( d l5 0 7 7 一】9 9 7 ) 取定。 1 ) 建筑物自重作用分项系数 按水工建筑物荷载设计规范( d l5 0 7