地震动水压力计算

计算书名称：进水闸、冲沙闸坝段水力及结构计算书目录1工程概况 (1)2水力计算 (1)2.1进水闸坝段过水能力计算 (1)2.2消能防冲设计 (3)2.3冲砂闸过水能力复核 (4)2.4消能防冲设计 (5)3稳定及应力计算 (6)3.1基本资料与数据 (6)3.2结构简化 (6)3.3计算公式 (6)3.4荷载计算及组合 (8)3.5计算成果 (9)3.6冲沙闸荷载计算 (12)3.7计算成果 (13)3.8计算简图 (17)1工程概况某调水工程由关山低坝引水枢纽和穿越秦岭山区的输水隧洞两大部分组成，按其供水对象及性质，根据《防洪标准》（GB50201—94）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000），工程等别为三等中型工程,主要建筑物按3级建筑物设计。

低坝无调节引水枢纽由拦河坝、冲砂闸、进水闸和输水暗渠四部分组成，前三部分在平面上呈一条直线南北方向并列布置，输水暗渠紧接进水闸并连接进水闸和输水隧洞。

两个闸均设在坝的左侧。

坝轴线位于两河口下游95m ，关山村上游约1km 处，此处河谷宽度74m ，河床宽度约60m ，高程为1467.2m ，河床漂卵石覆盖层厚5~12m ，最大15m ，其下的基岩为黑云片麻岩和斜长片麻岩，岩石强风化层厚约2~3m ，岩体分类为Ⅱ～Ⅲ类，岩层倾向上游，对防渗有利。

进水闸位于冲砂闸左侧，设计流量13.5m 3/s ，单孔布置，孔口尺寸3.0m ×2.5m ，设潜孔式弧形工作闸门和平面检修闸门。

闸室后接4m 长的1:4陡坡，陡坡后接消力池，消力池池长14m ，池深1.0m ，底板厚度1.0m ，为C20钢筋混凝土结构；消力池后与输水暗渠相接。

2水力计算2.1进水闸坝段过水能力计算 2.1.1引水渠内水深的确定Q=3/22/11R Ai n式中Q －引水渠流量,13.5m 3/s ； n －引水渠糙率,0.015；A 、χ、R 、b 、h 、m 分别为过水断面面积、湿周、水力半径、渠道底宽、水深及边坡系数，其表达式如下： A=(b+mh)h χ=b+2h 21m +； R=χA =212)(mh b h mh b +++故 13.5=1/0.015×（3+0 h ）h ×(1/1000)1/2×3/2)23).03((hh h ++经试算求得：h=2.282m 2.1.2过流能力复核设计流量下的渠内水深为h=2.282m ，进口闸底板高程取为1469.00m ，即下游水位为1471.282m ，进口翼墙为圆弧形翼墙。

物理参数:圬工砌体容重: 20.500(kN/m3)圬工之间摩擦系数: 0.800地基土摩擦系数: 0.577墙身砌体容许压应力: 580.000(kPa)墙身砌体容许剪应力: 58.000(kPa)墙身砌体容许拉应力: 110.000(kPa)墙身砌体容许弯曲拉应力: 56.000(kPa)挡土墙类型: 抗震区浸水挡土墙墙后填土内摩擦角: 35.000(度)墙后填土粘聚力: 0.000(kPa)墙后填土容重: 19.000(kN/m3)墙背与墙后填土摩擦角: 23.000(度)地基土容重: 18.000(kN/m3)修正后地基土容许承载力: 300.000(kPa)地基土容许承载力提高系数:墙趾值提高系数: 1.200墙踵值提高系数: 1.300平均值提高系数: 1.000地震作用墙趾值提高系数: 1.500地震作用墙踵值提高系数: 1.625地震作用平均值提高系数: 1.250墙底摩擦系数: 0.300地基土类型: 土质地基地基土内摩擦角: 30.000(度)地震烈度: 设计烈度7度面侧地震动水压力系数: 1.000背侧地震动水压力系数: 1.000水上地震角: 1.50水下地震角: 2.50水平地震系数: 0.13重要性修正系数: 1.00综合影响系数: 0.25抗震基底容许偏心距:B/5地震力调整系数: 1.000墙后填土浮容重: 12.500(kN/m3)地基浮力系数: 0.700土压力计算方法: 库仑第 2 种情况: 地震情况[土压力计算] 计算高度为 5.500(m)处的库仑主动土压力按实际墙背计算得到:第1破裂角： 27.000(度)Ea=103.732 Ex=95.486 Ey=40.531(kN) 作用点高度 Zy=1.898(m) 墙身截面积 = 22.250(m2) 重量 = 456.125 kN地下水作用力及合力作用点坐标(相对于墙面坡上角点)X分力(kN) Y分力(kN) Xc(m) Yc(m) 墙面坡侧: 54.78 -17.24 -1.99 -4.40墙背坡侧: -54.78 -9.05 2.75 -4.40墙底面: -0.00 127.43 0.25 -5.50全墙地震力=11.403(kN) 作用点距墙顶高度=3.140(m)(一) 滑动稳定性验算基底摩擦系数 = 0.300滑移力= 106.889(kN) 抗滑力= 118.654(kN)滑移验算满足: Kc = 1.110 > 1.000(二) 倾覆稳定性验算相对于墙趾点，墙身重力的力臂 Zw = 3.035 (m)相对于墙趾点，Ey的力臂 Zx = 5.000 (m)相对于墙趾点，Ex的力臂 Zy = 1.898 (m)验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性倾覆力矩= 502.292(kN-m) 抗倾覆力矩= 1586.833(kN-m)倾覆验算满足: K0 = 3.159 > 1.300(三) 地基应力及偏心距验算基础为天然地基，验算墙底偏心距及压应力作用于基础底的总竖向力 = 395.513(kN) 作用于墙趾下点的总弯矩=1084.541(kN-m) 基础底面宽度 B = 5.500 (m) 偏心距 e = 0.008(m)基础底面合力作用点距离基础趾点的距离 Zn = 2.742(m)基底压应力: 趾部=72.530 踵部=71.293(kPa)最大应力与最小应力之比 = 72.530 / 71.293 = 1.017作用于基底的合力偏心距验算满足: e=0.008 <= 0.200*5.500 = 1.100(m)墙趾处地基承载力验算满足: 压应力=72.530 <= 450.000(kPa)墙踵处地基承载力验算满足: 压应力=71.293 <= 487.500(kPa)地基平均承载力验算满足: 压应力=71.911 <= 375.000(kPa)(四) 基础强度验算基础为天然地基，不作强度验算(五) 墙底截面强度验算验算截面以上地震力=11.403(kN) 作用点距墙顶高度=3.140(m)地下水作用力及合力作用点坐标(相对于墙面坡上角点)X分力(kN) Y分力(kN) Xc(m) Yc(m)墙面坡侧: 54.78 -17.24 -1.99 -4.40墙背坡侧: -54.78 -9.05 2.75 -4.40验算截面以上，墙身截面积 = 22.250(m2) 重量 = 456.125 kN相对于验算截面外边缘，墙身重力的力臂 Zw = 3.035 (m)相对于验算截面外边缘，Ey的力臂 Zx = 5.000 (m)相对于验算截面外边缘，Ex的力臂 Zy = 1.898 (m)[容许应力法]:法向应力检算:作用于验算截面的总竖向力 = 522.945(kN) 作用于墙趾下点的总弯矩=1434.981(kN-m) 相对于验算截面外边缘，合力作用力臂 Zn = 2.744(m)截面宽度 B = 5.500 (m) 偏心距 e1 = 0.006(m)截面上偏心距验算满足: e1= 0.006 <= 0.400*5.500 = 2.200(m)截面上压应力: 面坡=95.700 背坡=94.462(kPa)压应力验算满足: 计算值= 95.700 <= 870.000(kPa)切向应力检算:剪应力验算满足: 计算值= -56.630 <= 58.000(kPa)(六) 台顶截面强度验算[土压力计算] 计算高度为 4.000(m)处的库仑主动土压力按实际墙背计算得到:第1破裂角： 27.000(度)Ea=56.994 Ex=52.463 Ey=22.269(kN) 作用点高度 Zy=1.369(m)墙身截面积 = 14.750(m2) 重量 = 302.375 kN地下水作用力及合力作用点坐标(相对于墙面坡上角点)X分力(kN) Y分力(kN) Xc(m) Yc(m)墙面坡侧: 16.38 -8.19 -1.70 -3.40墙背坡侧: -16.38 -1.55 2.75 -3.40墙底面: -0.00 63.35 0.50 -4.00全墙地震力=7.559(kN) 作用点距墙顶高度=2.244(m)[强度验算]验算截面以上地震力=7.175(kN) 作用点距墙顶高度=2.190(m)地下水作用力及合力作用点坐标(相对于墙面坡上角点)X分力(kN) Y分力(kN) Xc(m) Yc(m)墙面坡侧: 16.38 -8.19 -1.70 -3.40墙背坡侧: -16.38 -0.00 2.50 -3.40验算截面以上，墙身截面积 = 14.000(m2) 重量 = 287.000 kN相对于验算截面外边缘，墙身重力的力臂 Zw = 2.702 (m)相对于验算截面外边缘，Ey的力臂 Zx = 4.500 (m)相对于验算截面外边缘，Ex的力臂 Zy = 1.369 (m)[容许应力法]:法向应力检算:作用于验算截面的总竖向力 = 317.459(kN) 作用于墙趾下点的总弯矩=793.474(kN-m) 相对于验算截面外边缘，合力作用力臂 Zn = 2.499(m)截面宽度 B = 4.500 (m) 偏心距 e1 = -0.249(m)截面上偏心距验算满足: e1= -0.249 <= 0.400*4.500 = 1.800(m)截面上压应力: 面坡=47.083 背坡=94.010(kPa)压应力验算满足: 计算值= 94.010 <= 870.000(kPa) 切向应力检算:剪应力验算满足: 计算值= -43.184 <= 58.000(kPa)。

水池结构地震作用归纳分析摘要：水池结构较多出现在给水排水工程中，均为社会生命线工程的重要构成部分。

水池地震作用的抗震设防目标与一般结构相同，即满足三水准的要求：“小震不坏、中震可修、大震不倒”，但在计算地震作用过程中与一般结构有所不同，本文对水池地震作用计算做简单的归纳分析。

关键词：水池, 设计、抗震计算一．抗震设防目标抗震设防三个水准的要求与一般建筑结构的要求相同：当遭遇到多遇地震情况下，结构全部均保持弹性状态;遇到设防烈度的地震时，给水、排水工程中的各类构筑物的损坏仅可能出现在非主要受力构件，主要构件无需修理或稍作修理后仍能继续使用;当遇到高于本地区一度地震作用时,相当于遭遇大震(50年超越概率2%~3% )，此时构筑物符合抗震设计基本要求，通过概念设计的控制并满足抗震构造措施，即可避免严重震害，不致发生倒塌或大量涌水危及工作人员生命安全。

考虑到水池较多出现在给水排水等社会生命线工程中，均系社会生命线工程的重要构成部分，对给水工程中的盛水构筑物、净水厂内的主要盛水构筑物；排水工程中的污水厂内的主要盛水构筑物宜提高一级抗震构造（不提高抗震计算），9度时，可适当加强构造措施。

6度时的水池可不作抗震计算，构造措施按7度设防的要求采用(规范无特殊规定时).二．结构体系抗震结构的体系应根据构筑物的使用功能、场地条件、地质情况、、抗震设防要求和施工条件等因素经过经济综合对比后确定。

水池的平面设置、竖向设置，应符合以下要求：水池的平面、竖向设置宜尽量对称、规则，刚度变化和质量分布宜均匀，相邻各构件之间刚度不宜有较大变化；对体型较复杂的水池，宜设防震缝将水池划分成规则的单元，当防震缝无法设置时，需要对水池整个结构一起验算，在相对薄弱的位置设置可靠的构造措施；水池的结构体系宜具有明确的计算简化图以及合理的地震作用传导路径；需避免部分构件的破坏而致整个体系失效；结构单元内应具备良好的整体性，局部削弱、突变而形成的薄弱位置，需采用措施加强。

地震荷载计算地震荷载组合，一般是在正常荷载组合中加入建筑物自重和其上荷重所产生的地震惯性力、地震动土（含坝前淤积物）压力和动水（含内水）压力（含扬压力）。

高寒区冬季强震的复核尚应考虑冰的地震推力。

砌石坝地震荷载应包括坝体地震惯性力和地震动水压力。

可参照规范SL203的规定计算确定。

10.3.2 复核的地震作用标准是，除重大工程按本导则10.1.4－1规定的概率水准，由专门的地震危险性分析确定水平向地震加速度a h外，其余的按J c为7、8、9度，应依次取a h值为0.1g、0.2g、0.4g；取竖向地震加速度值为（2/3）a h。

在动力法中，地震加速度反应谱随场地类别及其振动特征周期、结构自振周期等的不同应按规范SL203的规定，确定反应谱最大值及下限值；按该规范4.5节对不同建筑物选取相应的阻尼比值。

地震作用的方向，一般情况下可只考虑水平向分量；拱坝、闸墩、闸顶机架、水塔及两个主轴方向刚度接近的混凝土结构，还应计及两个主轴方向或顺河及横河两个水平向分量；地震烈度8、9度的1、2级大坝，还应同时计入竖向地震作用分量。

地震作用效应的确定可采用拟静力法确定各点的惯性力，或采用振型分解反应谱法。

若有多条该坝实测地震记录，或有类似地震地质条件下的实测地震记录，也可采用振型分解时程分析法等动力法，按照规范SL203规定，结合各类建筑物的具体规定分别确定其地震作用效应。

一般情况下，作抗震计算时的上游水位可采用正常蓄水位；多年调节水库经论证后，可采用低于正常蓄水位的坝前水位。

土石坝应根据运用条件选用对上游坡抗震稳定最不利的常遇水位进行抗震计算；坝内流网可按相应水位的稳定渗流考虑；若需考虑库水位骤降的抗震稳定，应将地震作用和常遇的库水位降落幅值相组合。

重要的拱坝和水闸，其抗震强度计算，宜补充地震作用和常遇低水位组合的验算。

土石坝（面板坝除外）可不计地震动水压力，在土石坝动力法有效应力分析、液化分析及混凝土结构或基岩断裂区的动力分析等计算中，都必须计算孔隙压力或扬压力，必要时，应考虑孔隙压力的增长、扩散和消散。

第28卷,第3期 中国铁道科学Vol 128No 13　2007年5月 C HINA RA IL WA Y SCIENCEMay ,2007　文章编号:100124632(2007)0320044205桥梁抗震分析中动水压力的计算朱　晞,高学奎(北京交通大学土木建筑工程学院,北京　100044) 摘　要:用势流体单元模拟水体,采用数值分析方法计算分析地震动水压力。

采用Morison 方程法,以附加质量的形式考虑动水压力。

运用两频段选波方法,选取美国Spitak (1988)和Imperial Valley (1979)2条地震波,进行深水桥墩地震响应分析,研究动水压力对深水桥墩地震响应的影响。

结果表明:在地震作用下,动水压力显著增大桥墩的墩顶位移和墩底内力响应,且使地震响应峰值出现的时刻有所改变。

在进行抗震设计时考虑动水压力的作用是非常必要的。

通过对实际桥墩的分析,验证Morison 方程法在深水桥墩地震响应分析中的有效性,说明按照我国现行铁路工程抗震设计规范中的计算方法得出的深水桥墩地震响应结果偏低。

关键词:动水压力;有限元法;数值分析;附加质量;桥梁抗震 中图分类号:U442155 文献标识码:A　收稿日期:2006204220;修订日期:2007202214　基金项目:国家自然科学基金资助项目(50578007)　作者简介:朱　晞(1937—),男,湖南邵阳人,教授。

我国有许多在建和拟建的深水桥梁。

对于这类深水桥梁,在抗震分析中需要考虑动水压力的影响。

我国《铁路工程抗震设计规范》[1]规定:梁式桥跨结构的实体桥墩,在常水位以下部分,水深超过5m 时,应计入地震动水压力对桥墩的作用。

目前,在海洋平台、大坝、码头等近海工程的抗震分析中都考虑了水对结构的影响,而在桥梁抗震分析领域,这方面的研究工作还不多。

本文采用有限元模拟水体和结构的数值分析方法和Morison 方程法,分析地震动水压力对深水桥墩的影响。

物理参数:圬工砌体容重: 20.500(kN/m3)圬工之间摩擦系数: 0.800地基土摩擦系数: 0.577墙身砌体容许压应力: 580.000(kPa)墙身砌体容许剪应力: 58.000(kPa)墙身砌体容许拉应力: 110.000(kPa)墙身砌体容许弯曲拉应力: 56.000(kPa)挡土墙类型: 抗震区浸水挡土墙墙后填土内摩擦角: 35.000(度)墙后填土粘聚力: 0.000(kPa)墙后填土容重: 19.000(kN/m3)墙背与墙后填土摩擦角: 23.000(度)地基土容重: 18.000(kN/m3)修正后地基土容许承载力: 300.000(kPa)地基土容许承载力提高系数:墙趾值提高系数: 1.200墙踵值提高系数: 1.300平均值提高系数: 1.000地震作用墙趾值提高系数: 1.500地震作用墙踵值提高系数: 1.625地震作用平均值提高系数: 1.250墙底摩擦系数: 0.300地基土类型: 土质地基地基土内摩擦角: 30.000(度)地震烈度: 设计烈度7度面侧地震动水压力系数: 1.000背侧地震动水压力系数: 1.000水上地震角: 1.50水下地震角: 2.50水平地震系数: 0.13重要性修正系数: 1.00综合影响系数: 0.25抗震基底容许偏心距:B/5地震力调整系数: 1.000墙后填土浮容重: 12.500(kN/m3)地基浮力系数: 0.700土压力计算方法: 库仑第 2 种情况: 地震情况[土压力计算] 计算高度为 5.500(m)处的库仑主动土压力按实际墙背计算得到:第1破裂角： 27.000(度)Ea=103.732 Ex=95.486 Ey=40.531(kN) 作用点高度 Zy=1.898(m) 墙身截面积 = 22.250(m2) 重量 = 456.125 kN地下水作用力及合力作用点坐标(相对于墙面坡上角点)X分力(kN) Y分力(kN) Xc(m) Yc(m) 墙面坡侧: 54.78 -17.24 -1.99 -4.40墙背坡侧: -54.78 -9.05 2.75 -4.40墙底面: -0.00 127.43 0.25 -5.50全墙地震力=11.403(kN) 作用点距墙顶高度=3.140(m)(一) 滑动稳定性验算基底摩擦系数 = 0.300滑移力= 106.889(kN) 抗滑力= 118.654(kN)滑移验算满足: Kc = 1.110 > 1.000(二) 倾覆稳定性验算相对于墙趾点，墙身重力的力臂 Zw = 3.035 (m)相对于墙趾点，Ey的力臂 Zx = 5.000 (m)相对于墙趾点，Ex的力臂 Zy = 1.898 (m)验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性倾覆力矩= 502.292(kN-m) 抗倾覆力矩= 1586.833(kN-m)倾覆验算满足: K0 = 3.159 > 1.300(三) 地基应力及偏心距验算基础为天然地基，验算墙底偏心距及压应力作用于基础底的总竖向力 = 395.513(kN) 作用于墙趾下点的总弯矩=1084.541(kN-m) 基础底面宽度 B = 5.500 (m) 偏心距 e = 0.008(m)基础底面合力作用点距离基础趾点的距离 Zn = 2.742(m)基底压应力: 趾部=72.530 踵部=71.293(kPa)最大应力与最小应力之比 = 72.530 / 71.293 = 1.017作用于基底的合力偏心距验算满足: e=0.008 <= 0.200*5.500 = 1.100(m)墙趾处地基承载力验算满足: 压应力=72.530 <= 450.000(kPa)墙踵处地基承载力验算满足: 压应力=71.293 <= 487.500(kPa)地基平均承载力验算满足: 压应力=71.911 <= 375.000(kPa)(四) 基础强度验算基础为天然地基，不作强度验算(五) 墙底截面强度验算验算截面以上地震力=11.403(kN) 作用点距墙顶高度=3.140(m)地下水作用力及合力作用点坐标(相对于墙面坡上角点)X分力(kN) Y分力(kN) Xc(m) Yc(m)墙面坡侧: 54.78 -17.24 -1.99 -4.40墙背坡侧: -54.78 -9.05 2.75 -4.40验算截面以上，墙身截面积 = 22.250(m2) 重量 = 456.125 kN相对于验算截面外边缘，墙身重力的力臂 Zw = 3.035 (m)相对于验算截面外边缘，Ey的力臂 Zx = 5.000 (m)相对于验算截面外边缘，Ex的力臂 Zy = 1.898 (m)[容许应力法]:法向应力检算:作用于验算截面的总竖向力 = 522.945(kN) 作用于墙趾下点的总弯矩=1434.981(kN-m) 相对于验算截面外边缘，合力作用力臂 Zn = 2.744(m)截面宽度 B = 5.500 (m) 偏心距 e1 = 0.006(m)截面上偏心距验算满足: e1= 0.006 <= 0.400*5.500 = 2.200(m)截面上压应力: 面坡=95.700 背坡=94.462(kPa)压应力验算满足: 计算值= 95.700 <= 870.000(kPa)切向应力检算:剪应力验算满足: 计算值= -56.630 <= 58.000(kPa)(六) 台顶截面强度验算[土压力计算] 计算高度为 4.000(m)处的库仑主动土压力按实际墙背计算得到:第1破裂角： 27.000(度)Ea=56.994 Ex=52.463 Ey=22.269(kN) 作用点高度 Zy=1.369(m)墙身截面积 = 14.750(m2) 重量 = 302.375 kN地下水作用力及合力作用点坐标(相对于墙面坡上角点)X分力(kN) Y分力(kN) Xc(m) Yc(m)墙面坡侧: 16.38 -8.19 -1.70 -3.40墙背坡侧: -16.38 -1.55 2.75 -3.40墙底面: -0.00 63.35 0.50 -4.00全墙地震力=7.559(kN) 作用点距墙顶高度=2.244(m)[强度验算]验算截面以上地震力=7.175(kN) 作用点距墙顶高度=2.190(m)地下水作用力及合力作用点坐标(相对于墙面坡上角点)X分力(kN) Y分力(kN) Xc(m) Yc(m)墙面坡侧: 16.38 -8.19 -1.70 -3.40墙背坡侧: -16.38 -0.00 2.50 -3.40验算截面以上，墙身截面积 = 14.000(m2) 重量 = 287.000 kN相对于验算截面外边缘，墙身重力的力臂 Zw = 2.702 (m)相对于验算截面外边缘，Ey的力臂 Zx = 4.500 (m)相对于验算截面外边缘，Ex的力臂 Zy = 1.369 (m)[容许应力法]:法向应力检算:作用于验算截面的总竖向力 = 317.459(kN) 作用于墙趾下点的总弯矩=793.474(kN-m) 相对于验算截面外边缘，合力作用力臂 Zn = 2.499(m)截面宽度 B = 4.500 (m) 偏心距 e1 = -0.249(m)截面上偏心距验算满足: e1= -0.249 <= 0.400*4.500 = 1.800(m)截面上压应力: 面坡=47.083 背坡=94.010(kPa)压应力验算满足: 计算值= 94.010 <= 870.000(kPa) 切向应力检算:剪应力验算满足: 计算值= -43.184 <= 58.000(kPa)。