第二章-水工建筑物设计综述PPT课件.ppt

第二章水工建筑物设计综述 水工建筑物 1 2 1水利工程设计的任务和特点 一 水利工程定义特点二 水利技术工作勘测 水文 气象 地质 地理 经济及社会信息 规划 统一部署 主要依据社会现实 自然环境 工程设计 运用科学技术 设计理论 设计原理 工程施工 组织人力 物力高质量完成任务 工程管理 已建成工程的调度 运行 维修 监测 经营科技开发 研究新理论 新材料 新工艺 新结构等 以提高科技水平 2 2 1水利工程设计的任务和特点 三 水利工程设计设计一般步骤 技术预测 信息分析 科学类比 系统分析 方案设计 功能分析 安全分析 施工方案 经济分析 综合评价 各学科研制了对应的软件 便于工程师设计 3 水利工程的自身特点个性突出 几乎每个工程均有其独特的水文 地质 自然条件规模大 风险大 需谨慎 严格 必要时需试验研究规程规范指导性强 总结历史 参考经验 形成规程规范 少走弯路 施工外界干扰大 2 1水利工程设计的任务和特点 4 2 1水利工程设计的任务和特点 四 设计工作水平根据有无参考样本和工程经验 可分为以下几种 开发型设计 提出创造性的新型方案 但难度大 风险大 投资高 更新型设计 在常规型式 设计原理的基础上改进局部建筑物设计原理 如碾压混凝土坝 面板堆石坝 适配型设计 常规型式上选择适当的尺寸 材料和布置型式 工程设计优劣的评价适用性 安全性 经济合理性 5 2 2设计的工作步骤 一 水工建筑物设计水利工程建设的全过程是一个系统工程 关键环节设计工作者需站在全局的高度解决问题 功能需求 资金 人力投入 投资风险分析 物力资源 结构型式 工作特点 施工导流方案 环境影响等 6 2 2设计的工作步骤 二 设计阶段的工作步骤收集资料及信息明确总体规划及功能提出方案方案比选推荐方案优化设计和细部构造初定施工方案方案评价及验证 7 2 2设计的工作步骤 三 分等和分级1水利工程 水利枢纽 的分等 级别 五等 分等依据 工程规模 效益 重要性 8 2 2设计的工作步骤 2水工建筑物的分级 级别 五级 永久性主要建筑物 大坝 厂房 泄洪闸 永久性次要建筑物 挡墙 导墙 护岸 临时建筑物 施工围堰 导流建筑物 分级依据 工程等别 作用 重要性 水工建筑物 9 3不同级别水工建筑物有以下不同要求 级别不同 设计基准期也不相同是研究工程对策的参照年限 是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数 它不等同于设计使用年限 设计基准期是一个基准参数 它的确定不仅涉及可变作用 荷载 还涉及材料性能 是在对大量实测数据进行统计的基础上提出来的 一般情况下不能随意更改 例如我国规范所采用的设计地震动参数 包括反映谱和地震最大加速度 的基准期为50年 如果要求采用基准期为100年的设计地震动参数 则不但要对地震动的概率分布进行专门研究 还要对建筑材料乃至设备的性能参数进行专门的统计研究 水工建筑物在设计基准期内的要求1级挡水建筑物为100年 其它永久建筑物为50年 2 2设计的工作步骤 10 2 2设计的工作步骤 级别不同 抗御灾害能力也不同 防洪标准 抗震标准 坝顶超高级别不同 安全性不同包括强度 稳定 变形三方面水工建筑物的结构安全级别级别不同 运行可靠性不同级别不同 建筑材料不同 品种 质量 耐久性 11 2 3水工建筑物的安全性 一 水工建筑物失事统计 统计历史14000座高于15m的坝 1 统计近代的坝 0 2 大坝失事原因统计 12 2 3水工建筑物的安全性 大坝失事时间 一半以上失事集中在施工期 16 7 和使用初期 26 8 表2 5坝在不同时刻发生事故或失事所占百分比 13 2 3水工建筑物的安全性 二 安全储备 设计标准明确规定 建筑物设计必需具有一定的安全储备 安全储备的表示方法 单一安全系数法分项系数极限状态设计法 三 极限状态 极限状态的定义 当整个结构 包括地基 或结构的一部分超过某一特定状态 结构就不能满足设计规定的某种功能要求 这一特定状态就叫该功能的极限状态 14 2 3水工建筑物的安全性 极限状态设计分类 1 承载能力极限状态 当出现下列状态之一时 即认为超过了承载能力极限状态 刚体失去平衡 如倾覆等 材料强度不足而破坏 结构失稳 如压屈等 结构转变为机动体系 结构体产生渗透失稳等现象 15 2 正常使用极限状态定义 当结构或构件影响正常使用或达到耐久性的极限值时 认为达到了正常使用极限状态 影响结构正常使用或外观变形 对运行人员 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损坏 包括裂缝 等 2 3水工建筑物的安全性 通俗的说 承载能力极限状态是已经破坏不能使用的状态 正常使用极限状态是还可以勉强使用 16 2 3水工建筑物的安全性 结构功能函数 功能函数 结构抗力 作用效应 极限状态方程 基本变量 功能限值 17 2 3水工建筑物的安全性 四 设计准则 水工建筑物事故或失事的主要因素 作用的不利性变异 实际值 设计值抗力的不良性变异 实际值 设计值状态方程表达不正确 抗力或作用效应的表达 计算错误 18 1单一安全系数法 水工规范 表达式 安全系数K考虑的因素结构的安全等级 工作状况和作用效应组合 结构和地基的受力特点和计算方法 模拟准确度材料抗力 作用的实验 勘测方法和取值规则 不足之处是定性的标准 没有定量的意义 不同建筑物不可比较 同一结构的不同破坏状况之间不可比较 2 3水工建筑物的安全性 19 2 3水工建筑物的安全性 2分项系数极限状态设计法 理论基础 基于概率原理的结构可靠度分析理论 失效概率 不能完成预定功能的概率 pf P g 0 可靠度 能完成预定功能的概率 ps 1 pf 分项系数 考虑不同因素变异性来源的系数 将每种因素的影响在不同的工程结构上统一考虑 取划一的分项系数 结构重要性系数 20 2 3水工建筑物的安全性 作用分项系数 材料性能分项系数 设计状况 工作状况 系数 结构系数 d 反映极限状态方程与结构实有性能的贴近程度 作用效应与抗力计算的不定性等 21 2 3水工建筑物的安全性 极限状态设计式 承载能力极限状态设计式 结构重要性系数 设计状况系数 结构系数 作用效应函数 结构几何参数的标准值 结构抗力函数 22 2 3水工建筑物的安全性 正常使用极限状态设计式 结构重要性系数 结构几何参数标准值 作用标准值 结构系数 材料性能标准值 设计状况系数 作用分项系数gF 材料性能分项系数gf均为1 0 功能限值如应力 变形等 23 五 可靠指标可靠性 安全性 适用性 耐久性的合称 结构可靠度理论的基本假定任何结构都有失效的可能与结构设计相关的变量均为随机变量当作用效应不超过结构抗力时 结构可靠 否则 结构失效结构失效仅由作用效应所致作用效应计算分析及强度理论的一切方法与公式仍适用结构可靠度理论的数学力学基础概率论 数理统计理论 随机过程理论 随机场理论 工程力学理论 计算力学理论 固体力学理论 强度理论等 2 3水工建筑物的安全性 24 2 3水工建筑物的安全性 可靠性的尺度可靠度 可靠概率 在给定的条件下 在基准期内完成预定功能的概率 不可靠度 失效概率 结构不能完成预定功能的概率 可靠指标 安全指标 25 2 3水工建筑物的安全性 功能函数的分解 如果R S在统计上互不相关 则 1 可靠指标 26 2 3水工建筑物的安全性 若R S都为正态分布 均值和均方差分别为 则Z也为正态分布 均值和均方差分别为 可靠性指标 27 2 3水工建筑物的安全性 Z的标准正态化 可靠指标与中心安全系数的关系 中心安全系数 结构抗力变异系数 作用效应变异系数 28 2 3水工建筑物的安全性 2 可靠指标的计算方法一次二阶矩法 采用 和 2计算可靠度指标均值一次二阶矩法 中心点法 极限状态方程为非线性式 概率分布难以确定时 将S和R线性化 在均值处进行泰勒级数展开 计算 不能考虑随机变量的实际分布对非线性极限状态方程 误差大改进一次二阶矩法 验算点 JC法 将非正态分布转化为正态分布 将功能函数在设计验算点处 做泰勒级数展开 取线性项计算 MonteCarlo法随机有限元法 29 2 3水工建筑物的安全性 3 目标可靠指标规范中给出的可靠指标应当达到值 T 用以保证设计的水工建筑物既经济又安全 目标可靠指标 T 一类破坏 指非突发性破坏二类破坏 指突发性破坏 30 全球分布的两大地震带环太平洋地震带 80 深层 台湾 菲律宾中亚 地中海地震带 20 浅层 我国西南 西北地震破坏现象地表和地基破坏 地裂 塌陷 山崩 滑坡 液化等建筑物破坏海啸 2 4水工建筑物的抗震分析 31 2 4水工建筑物的抗震分析 一 地震作用 地震规模的评价 以释放总能量评价 按里氏震级分1 9级 烈度 表征地表运动的危害性 一般以地震的最大加速度作为烈度的标准 地震烈度分1 12度 6度以上为有害地震 基本烈度 一般是指某地区今后50年内可能发生的较大的地震 其超越概率为10 中国地震烈度区划图 水库诱发地震 截至上世纪60年代 全球已有100例水库诱发地震 一般坝高 100m 库容 5亿m3 大2型 时需考虑诱发地震 地震测量 地面加速度 峰值加速度 如6级地震的a 0 05g 32 水工建筑物的地震作用效应断层错动砂土地层液化库水产生动水压力建筑物振动开裂 倾倒填土产生动土压力水库库岸崩塌土石坝坝坡滑动地基沉降效应 2 4水工建筑物的抗震分析 33 2 4水工建筑物的抗震分析 二 抗震设计 设计烈度 一般将基本烈度作为设计烈度 抗震设防等级 规定建筑物需要设防的最小地震烈度 表示场地地震大于等于6级时才需设防 否则可不设防 表2 7工程抗震设防等级 34 抗震设计内容抗震计算工程抗震措施设计烈度为6度时 可不进行抗震计算 只考虑抗震措施 设计烈度高于9度时 或9度的高于250m的壅水建筑物 应进行专门的抗震研究 抗震设计的基本要求 能抵御设计烈度地震 如有损坏 处理后仍可使用 2 4水工建筑物的抗震分析 35 2 4水工建筑物的抗震分析 地震系数 设计用地面运动峰值加速度与重力加速度的比值 竖向地震加速度代表值取水平向的2 3 表2 8水平向设计地震加速度代表值 36 2 4水工建筑物的抗震分析 三 地震作用效应作用的分类静态作用 静荷载 自重 温度作用动态作用 动荷载 地震作用 风作用 波浪作用运动方程 质量矩阵 加速度列阵 阻尼矩阵 速度列阵 刚度矩阵 位移矩阵 地面运动加速度列阵 37 2 4水工建筑物的抗震分析 抗震分析方法1 2级水工建筑物 实验验证抗震设防等级为甲类的水工建筑物 动力法乙 丙类水工建筑物 动力法或拟静力法丁类水工建筑物 拟静力法或采取抗震措施动力法的数值解法直接积分法将地震地面运动记录直接输入结构体系来求解的结构的地震反应 振型分解法 38 2 4水工建筑物的抗震分析 四 水工建筑物抗震分析的主要问题地震作用的不确定性及设计地震参数和波型的选择地震动输入机制结构 库水 地基间的动力相互作用坝体和地基的非线性影响地震反应的动态设计方法 39 2 5水工建筑物设计的规范体系 一 标准的基本概念标准的定义标准的特性ISO 国际标准化组织二 国际标准ISO2394 结构可靠性总原则 1998 三 中国标准我国标准分类 国家标准 行业标准 地方标准 企业标准 水利技术标准体系表 2001 电力标准体系表 1995 建设工程质量管理条例 2000 40 2 6水工建筑物施工过程的状况分析 施工导流的措施未建成的建筑物上临时泄流 坝体泄流将永久性建筑物结合导流建筑物布置 泄洪洞与导流洞结合 泄水 排沙孔与导流孔结合利用临时剖面施工期蓄洪修建专用的导流建筑物大坝施工期失事的原因洪水漫顶 坝坡滑动 地基滑动 不均匀沉降 坝体开裂水工建筑物施工期的工作特点尺寸不足 材料强度低 孔隙水多 固结度低 某些作用的最大值是在施工期出现的 41 本章重点内容 水利工程设计的特点水工建筑物的设计步骤水电工程和水工建筑物如何分级 极限状态的概念水利工程的安全储备在设计中如何体现 可靠度 失效概率 可靠指标水工建筑物如何进行抗震设计