Головной гидроузел с каменно-земляной плотиной и водосбросным сооружением

2.4 Основные положения расчета сооружений на сейсмические воздействия.

Нормы предусматривают учет сейсмических воздействий в тех случаях, когда величина расчетной сейсмичности IРАС на площадке строительства составляет 7 баллов и более. Сейсмические воздействия включаются в состав особых сочетаний нагрузок. Гидросооружения, в зависимости от их группы сейсмостойкости и уровня расчетного землетрясения (ПЗ или МВЗ), рассчитываются на сейсмические воздействия методами динамической теории (ДТ) или линейно-спектральной теории (ЛСТ). Cхема использования различных методов расчета сооружений на сейсмические воздействия дана в таблице 2.3

Таблица 2.3 Схема использования методов расчета гидросооружений

на сейсмические воздействия

2.4.1 Сооружения 1-ой группы

Гидросооружения 1-ой группы сейсмостойкости рассчитываются на ПЗ и МВЗ методами динамической теории (ДТ) сейсмостойкости. В этом случае сейсмическое ускорение основания задается РА, представляющей собой в общем случае однокомпонентную, двухкомпонентную или трехкомпонентную (j=1,2,3) функцию времени . Сейсмические воздействия могут задаваться также велосиграммами либо сейсмограммами. Расчеты на ПЗ в рамках ДТ выполняются, как правило, с применением линейного динамического анализа, а на МВЗ - линейного или нелинейного временного динамического анализа.

При выполнении расчетов по ДТ деформации, напряжения и усилия определяются на всем временном интервале сейсмического воздействия на сооружение. При этом в случае применения линейного динамического анализа максимальные и минимальные значения этих величин за весь рассматриваемый временной интервал суммируются со начениями деформаций, напряжений и усилий, полученными от остальных нагрузок и воздействий, входящих в состав особого сочетания нагрузок, включающего сейсмические воздействия.

В расчетах сейсмостойкости сооружений по ДТ используются параметры затухания z, установленные на основе динамических исследований поведения сооружений при сейсмических воздействиях. При отсутствии экспериментальных данных о величинах параметров затухания z допускается применять значения параметров затухания, не превышающими:

0.05 - для бетонных и железобетонных сооружений;

0.15 - для сооружений из грунтовых материалов;

0.08 - для скальных пород оснований;

0.12 - для полускальных и нескальных грунтов оснований.

2.4.2 Сооружения 2-ой группы

Сооружения 2-ой группы сейсмостойкости рассчитываются на ПЗ методами линейно-cпект-ральной теории (ЛСТ). В этих расчетах материалы сооружения и основания считаются линейно-упругими; в поведении системы "сооружение-основание" отсутствует геометрическая или конструктивная нелинейность. Сейсмическое ускорение основания задано постоянным вектором, модуль которого определяется по формуле:

 = kАПЗg A500 (2-3)

где kАПЗ, g, A500 - то же, что и в формуле (2-1).

В случаях, когда при расчете сейсмостойкости по ЛСТ система "сооружение-основание" разбита на отдельные дискретные объемы, то в качестве сейсмических нагрузок используются узловые инерционные силы - Pikj, действующие на элемент сооружения, отнесенный к узлу k, в направлении j при i - ой форме собственных колебаний. В общем случае значения компонент узловых сил Pikj по трем (j=1, 2,3) взаимно ортогональным направлениям определяются как:

Pikj = kf kH ky mk  bi hikj (2-4)

где: kf - коэффициент ответственности сооружения и недопустимости в нем повреждений; kH - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности сооружения; ky - коэффициент, учитывающий демпфирующие свойства конструкций; mk - масса элемента плотины, отнесенная к узлу k, (с учетом присоединенной массы воды).

Для всех гидросооружений принимается kf =0,50.

Для водоподпорных сооружений принимаются значения коэффициента kH: 1.0 для сооружений высотой 100 м и более; 0.8 для сооружений высотой 60 м и менее; по интерполяции между значениями 1,0 и 0,8 для сооружений высотой 60 - 100 м.

Значения коэффициента ky для бетонных, ж-б и сооружений из грунтов (в скобках): 1,00 (0,70) - при расчетной сейсмичности строительства IРАС не более 8 баллов; 0,80 (0,65) - при расчетной сейсмичности строительства IРАС свыше 8 баллов.

Для других видов гидросооружений значения коэффициентов, учитывающих конструктивные особенности и демпфирующие свойства сооружений, допускается принимать на основе опыта проектирования этих сооружении с учетом сейсмических воздействий.  - сейсмическое ускорение основания, определяемое по формуле (2-3); hikj - коэффициент формы собственных колебаний сооружения по i-ой форме колебаний:

hikj =Uikj  (2-5)

где Uikj - проекции по направлениям j смещений узла k по i-ой форме колебаний; cos (Uikj, ) - косинусы углов между направлениями вектора воздействия и перемещениями Uikj.

b (Ti) (или bi) - коэффициент динамичности, соответствующий периоду собственных колебаний сооружения Ti по i-ой форме колебаний;

Значения коэффициента динамичности b (Ti) определяются по зависимостям (2-6) - (2-8) или по графикам на рисунке 2-1:

b (Ti) = 1 + Ti (b0 - 1) /T1, 0 < Ti <=T1; (2-6)

b (Ti) = b0, T1 < Ti <=T2; (2-7)

b (Ti) = b0 [Ti/T2] 2/3, T2<Ti; (2-8)

где b0, T1, T2 - параметры, значения которых даны в таблице 2-4.

Примечание: Значение произведения kybш должно составлять не менее 0,80.

Рис.2-1. Коэффициент динамичности b (Ti) для трех категорий грунтов основания. Обозначения: Кривая 1 - для грунтов I категории; кривая 2 - для грунтов I-II и II категорий; кривая 3 - для грунтов II-III и III категорий

Таблица 2.4 Значения параметров b0, T1, T2

При расчете сейсмостойкости сооружений по ЛСТ расчетные значения возникающих в сооружении смещений (деформаций, напряжений и усилий) с учетом всех учитываемых в расчете форм собственных колебаний сооружений следует определять по формуле:

 (2-9)

где W - обобщенное значение расчетных смещений (деформаций, напряжений или усилий), возникших в рассматриваемых точках или сечениях под влиянием сейсмических воздействий;

Wi - обобщенное значение смещений (деформаций, напряжений или усилий), возникших в рассматриваемых точках или сечениях под влиянием сейсмических нагрузок (сил), соответствующих i - ой форме собственных колебаний;

q - число учитываемых в расчетах форм собственных колебаний.

3. Расчет сейсмостойкости плотины по новым нормам РФ.

3.1 Определение сейсмических параметров для плотины.

Ранее в разделе 1 было установлено, что исходная (нормативная) сейсмичность площадки строительства плотины IНОР = 8 баллов. Учитывая сложные грунтовые условия в основании плотины, сложенном из полускальных пород (мергелей, мергелей глинистых и мергелистых известняков, подстилаемых триасовыми гипсосодержащими породами), прикрытых 10-метровым слоем руслового аллювия, а также учитывая наличие вторичного тектонического разлома в русле реки, расчетную категорию грунтов основания плотины следует отнести к промежуточной между II и III категориями, т.е. к II-III. При этом расчетная сейсмичность площадки IРАС принимается как при грунтах III категории, т.е. IРАС = 9 баллов

Согласно новым нормам плотина как сооружение II класса относится к 1-ой группе плотин по сейсмостойкости и поэтому должна быть рассчитана на два уровня сейсмических воздействий: на проектное землетрясение (ПЗ) с минимальной повторяемостью ТПЗПОВ =100 лет и на максимальное землетрясение (МВЗ) с минимальной повторяемостью ТМВЗПОВ=5000 лет.

В связи с отсутствием в Алжире карт общего макросейсмического районирования страны с оценкой повторяемости землетрясений Заказчику следует срочно провести необходимые геофизические работы по уточнению нормативной сейсмичности площадки строительства методами детального сейсмического районирования (ДСР), включая сейсморазведку.

После получения от Заказчика уточненных данных по нормативной сейсмичности площадки строительства методами ДСР будут уточнены максимальные пиковые ускорения аППЗ и аПМВЗ. Это позволит получить для площадки строительства плотины достоверные расчетные акселерограммы (РА) и провести на их воздействие полные динамические расчеты сейсмостойкости плотины, как это требуют нормы РФ и ICOLD.

Учитывая вышеизложенное в настоящее время следует ограничиться выполнением расчетами сейсмостойкости плотины по линейно-спектральной теории (ЛСТ), как для сооружения 2-й группы по сейсмостойкости, но на воздействие двух уровней землетрясений (ПЗ и МВЗ), как это принято для сооружений I-й группы. В связи с этим следует принять следующие нижние границы максимальных пиковых ускорений основания согласно формулам (2-1) и (2-2) норм РФ:

аППЗ = kАПЗg A500 = 1x 0,25g = 0,25g

аПМВЗ = kАМВЗg A5000 = 1x0,32 g = 0,32g

где A500, A5000 взяты по таблицы 2.1 для IНОР=8 баллов и IРАС =9 баллов, соответственно, для II-III и III категорий грунта.

Следует отметить, что аППЗ = 0,25g и аПМВЗ = 0,32g совпали со значениями максимальных ускорений, амакс, полученных ранее по методике Гидропроекта, соответственно, для гидроузла от воздействия разлома и по зависимости (1-4) для плотины.

3.2 Определение сейсмических нагрузок на плотину как сооружения 2-й группы.

Узловые инерционные нагрузки определяются по формулам (2-3) - (2-9). Вначале определяют коэффициенты динамичности b (Ti) для первых трех форм собственных колебаний плотины по формулам (2-6) - (2-8) с учетом принятой II-III категории грунтов (табл.2.4).

b1 = b0 [T3/T2] 2/3=2,7

b2 = b0 = 2,5;

b3= 1 + T1 (b0 - 1) /T1= 1+ 0,16 (2,5-1) /0,2 = 2,2

b4= 1 + T1 (b0 - 1) /T1= 1+ 0,12 (2,5-1) /0,3 = 1,6

Узловая инерционная сила по 1-ой форме колебаний при воздействии ПЗ определяется по формулам (2-3) и (2-4):

P1kj = kf kH ky аППЗbi mk h1kj = 0,5x0,8x0,7x 0,3gx2,7mk h1kj = 0,1625g mk h1kj

Таким образом, "коэффициент сейсмичности" при воздействии ПЗ составил соответственно 0,162 и 0, 208, что соответственно в 1,6 и 2 раза выше, чем в расчете по нормам 1981г [9].

Из рис.2-1 и расчета коэффициента динамичности b (Ti) по формулам (2-6) - (2-8) видно, что в них отсутствует прямая связь между периодами собственных колебаний конструкции плотины Ti по первым формам колебаний и коэффициентами динамичности b (Ti), принятая в нормах 1981 г.

Поэтому ниже приведены расчеты трех первых периодов Ti плотины по нормам 1981 г.

Ti = 2pH/kiVs (2-10)

где H =60 м, высота плотины без уборки русловых отложений в большей части основания,

Vs - скорость поперечных волн в виброукатанной горной массе (известняк прочный),

ki - коэффициенты, определяемые по методу сдвигового клина (МСК) для каждой из первых трех форм собственных колебаний плотины с учетом податливости основания по табл.3 в [9].

Скорость поперечных волн Vs в горной массе наиболее точно можно определить через динамический модуль ее деформации Eдин используя известную зависимость:

Vs= [Eдин g/2gсух (1+n)] 1/2 (2-11)

где Eдин »100000 т/м2 по данным динамических испытаний плотного камня (рис.3, [9]),

gсух=1,8 т/м3

n =0,3 (коэффициент Пуассона для указанного камня)

Vs= [100000x9,81/2x1,8 (1+0,3)] 1/ 2= 450 м/с

Эта величина Vs, в целом, соответствует справочным значениям для камня (рис.7 [9]).

По данным таблицы 1 [7] соотношение между Vs в мергелях (M) основания плотины и в горной массе составляет примерно 2, что указывает на необходимость учета влияния податливости полускального основания на периоды собственных колебаний плотины. Поэтому коэффициент ki в формуле (2-10) определяется по табл.6 [9] с учетом коэффициента kо по формуле (19) в [9].

ko= kпE/2 (1+nо) Eо (2-12)

где E,Eо,nо - динамические модули упругости плотины, основания, коэффициент Пуассона,

kп - коэффициент податливости основания (по Фогту), определяемый по табл.7 [9] при nо=0,27 с учетом отношения длины к ширине подошвы основания плотины (A/B»2), kп=1,4. Мергель (M) в основании плотины по принятой в РФ классификации (по Протодьяконову) горных пород относится к V группе (довольно мягкие) с коэффициентом крепости fкр=2, что соответствует прочности на одноосное сжатие Rcs=20 МПа, близкой к средней 22,4 МПа в [14]. Учитывая, что отношение E/Eo=V/Vo=1/2, определим значение коэффициента ko по формуле (2-12):

ko =1,3/2 (1+0,3) x3 = 1,6

По табл.6 [9] определим для ko=1,6 величины коэффициента ki в формуле (2-10):

k1 = 1,3; k2 = 4,57; k3 = 7,75

Первые три периода собственных колебаний определятся по формуле (2-10):

T1 = 6,28x62,24/1,3x450 =0,668 c; T1 = 6,28x62,24/5,26x450 =0,167 c;

T1 = 6,28x62,24/8,4x450 =0,103 c;

Коэффициенты динамичности по формулам (2-8) - (2-10): b (T1) =2,7; b (T2) = 2,5; b (T3) =2,2; не изменились по сравнению с ранее полученными.

В соответствии с линейно-спектральной теорией (ЛСТ) приведенное сейсмическое ускорение от ПЗ определится в точке k плотины как:

P*ik =kf kH ky аППЗ =0,5x0,8x0,7x0,3 ,

 =0,065

Коэффициенты hikj первых трех собственных форм колебаний при расчете по методу сдвигового клина (МСК) определяются по таблицам 5 и 8 [9] с учетом влияния податливости основания (ko=1,6).

Табл.5. Коэффициенты hikj первых трех собственных форм

колебаний плотины (ko=1,1)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7