【摘 要】当今，在国内各类建筑蓬勃发展的今天，对建筑的质量要求特别是抗震减震要求越来越高，在进行建筑结构设计时，必须要结合相关的实际，采取科学有效的措施控制好结构地震的反应，进而有效的降低结构的地震内力，从根本上降低地震给建筑结构所带来的破坏，提升建筑物的抗震减震能力，保证建筑物的安全和人民群众的生命财产安全。因此，本文通过对结构动力学基本任务和研究方法的介绍和其在水工抗震方面的实际工程应用举例，来说明结构动力学的理论研究在实际水工抗震方面有极其重要的应用价值和意义。随着结构动力学研究的深入，相信会为实际工程起到更为重要的指导作用。
【关键词】结构动力学；设计；地震；水工抗震；工程应用
一、结构动力学概述
结构动力学是研究动态作用下结构或构件的强度、刚度和稳定性的一门学科。所谓动态作用，是指对结构或构件产生不可忽略的加速度的作用，如突加荷载、吊车荷载、设备振动、地震等。
在结构动力计算中，通常采用静力弹性模量作为动力弹性模量。基于这一原则，计算钢、木结构的刚度就与静力问题完全相同了。至于计算钢筋混凝土构件的动力刚度时，一般可认为整个截面参加工作。由于其受拉与受压的弹性模量相近，一般采用受压弹性模量。当正反向的刚度不同时，可近似地取平均值。确定实际建筑物的刚度比较复杂，因为它不仅取决于主体结构，而且还与各种非承重构件有关，特别是内外墙的影响很大。而这些非承重构件的构造、连接及受力性能往往是不大明确的，因而建筑物的动力刚度很难用计算方法求出。目前比较切实可行的办法，是通过对建筑物大量分阶段（即施工过程中的各阶段）的实测，掌握各种构件对结构刚度的独立的及联合的影响，提出合理计算简图，并根据实测结果反演实测的刚度。
二、结构动力学的特征
在结构动力中，通常会伴随时间的推移而变化。由于反应时间以及荷载发生变化，其动力问题也会随之发生变化，而静力问题则较为单一，是属于恒定的，其解十分单一，必须建立在相应于反应过程全部感兴趣时间的一系列解答；在结构静力学问题和动力学问题中，二者的区别是非常明显的，而特征都是抵抗结构加速度及惯性力。通常而言，如果惯性力是结构内部弹性力所平衡的全部外荷载的一个组成部分，那么在考虑问题时，首先需要考虑的问题就是动力特性。同时，如果运动的速度较慢，以至于惯性力不会带来影响时，则荷载和反应可能随时间的变化而产生变化，但是不管是分析哪一个瞬间的影响，任然可以选择用结构静力分析方法来进行解答。
三、结构动力学研究的基本内容及研究方法
结构动力学的任务是在动力荷载作用下对结构进行动态分析，研究结构在动荷载作用下表现出的各种各样的物理现象，而且要揭示现象背后的物理实质和内部规律。所谓动力荷载，其特征是荷载的大小、方向和作用点随时间而迅速变化，从而使结构产生明显而激烈的振动，其位移与内力均是时间的函数。在这种荷载作用下的结构分析问题，称为结构的动态分析。对于工程实际结构，无论是在设计还是在使用时，常常需要准确而迅速地分析或预测它们的动力特性，进而保证工程实际结构的安全稳定。结构动力学便是从一般性问题出发，从理论上研究结构动力特性的本质问题。
四、水工抗震研究的意义
地震是一种自然现象，顾名思义就是大地发生振动。发生地震时，地面上的建筑物由于基础运动而引起强迫振动。这种强迫振动，一方面决定于地面运动的规律，另一方面也决定于建筑物本身固有的动力学特征。地震引起建筑物强迫振动响应，可以用荷载、内力、变形或者能量等力学量来度量，而一般工程上较多以地震作用来度量。地震作用是指地震时建筑物本身具有的惯性力。在设计时，它能够反映地震影响的等效荷载，要求根据它设计出来的建筑物能够抵抗相应的地震。
水利工程是为兴水利、除水害而修建的工程。水利工程中采用的各种建筑物统称为水工建筑物，如水坝、大堤、水闸等。大型水工建筑物遭受地震作用，一旦毁坏，将会产生严重的次生灾害，给人民财产造成巨大的损失，因此被列为社会生命线工程予以特别重视。我国大陆位于世界两大地震活动带之间， 是一个多地震国家， 是世界上地震灾害最为严重的国家。因此，了解地震灾害的作用机理，对水工结构进行必要的抗震研究具有极其重要的意义和价值。
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五、工程实际应用举例
（1）坝体-库水-基础系统动力数值模型研究
坝体-库水-基础系统动力数值模型研究是拱坝抗震安全性评价中的一项主要内容。可以分为两大部分内容：设计地震荷载作用下大坝动力响应分析和地震超载下系统整体安全性及失稳模拟分析。该模型运用结构动力学中建立模型和数值分析的方法对高地震烈度区高拱坝抗震设计的安全性评价提供了一种有效可行的方法指标。第一部分通过将坝体及地基作为一个体系，可以充分考虑坝体、地基和库水的动力相互作用，并计入地基辐射阻尼、坝体横缝在强震中开合非线性、地震非均匀输入、地基非均匀性及主要结构面等因素影响，对大坝混凝土及地基材料的动力特性也可进行考虑。第二部分还处于探索研究阶段。地震荷载是一种不确定性很大的荷载，因此，应分析超设计地震烈度下拱坝的反应，探求大坝地震极限承载能力，评判大坝地震安全储备；对地震破坏过程的模拟研究，可以探求拱坝抗震的薄弱环节，确定抗震加固措施。采用坝体-库水-基础系统动力数值模型研究该问题，可以克服传统设计中对大坝和坝肩安全性分别单独进行评判忽略其耦合作用的缺点，将坝体和坝肩安全性统一为一个系数。
（2）水电站进水塔结构抗震设计研究
在水利水电工程中，为达到发电、供水、泄洪等综合利用目的，往往需要在水位变幅很大的供水和泄水系统的首部设置进水塔，水电站泄洪洞进水塔结构除了要承受静荷载作用，还会受到动水、地震等动荷载的影响。传统的进水塔抗震措施主要利用主体结构构件屈服后的塑性变形能和滞回耗能来耗散地震能量，这使得这些区域的耗能性能变得特别重要，而一旦由于某些因素导致这些区域产生问题，将严重影响到结构的抗震性能，产生严重破坏，由于破坏部位位于主要结构构件，其修复是很难进行的。因此分析震动产生的根源，通过在不同阶段采取震动方法控制措施，就成为不同的积极抗震方法。首先从震源上消震，通过减弱震源震动强度达到减小结构震动，由于地震源难以确定，且其规模宏大，目前还没有有效可行的措施；其次从传播途径上隔震，通过某种装置将地震与结构隔开，其作用是减弱和改变地震时结构作用的强度和方式，以此达到减少结构震动的目的；再次从结构上被动减震，通过采取一定的措施或附加子结构吸收和消耗地震传递给主结构的能量，达到减小结构震动的目的。
（3）某区心墙堆石坝振动台模型试验研究
地震模拟振动台实验的基本原理是将结构模型放在一个刚性平台上，然后给此刚性平台施加已知地震运动，这样就可以在整个结构上产生所需的惯性力，测量结构模型在惯性力作用下的响应，用于研究结构抗震性能。地震模拟振动台可以很好地再现地震过程和进行大量人工地震波的试验，研究结构动力特性、地震反应规律和破坏机理，测试设备抗震性能，检验结构抗震措施效果等。
目前我国土石坝的设计还很大程度上以工程类比及工程师们的经验判断为基础。随着西部水电资源的开发，许多高土石坝位于高烈度强震区，抗震问题突出。由于经历过较大地震考验的高土石坝还比较少，缺乏高土石坝抗震设计的经验，也很难依靠有限的震害资料对高土石坝地震动力反应分析方法和计算程序进行有效的验证。土石坝振动台模型试验是研究土石坝地震反应性状和震害机理的重要手段。
某区心墙堆石坝最大坝高314米，坝址区地震基本烈度为7度，100年超越概率2%的基岩地震动峰值加速度为0.205g，一般场地条件下地震烈度为8度。通过振动台模拟实验，得到了该市心墙堆石坝的自振频率，阻尼比和振型等动力特性参数，研究了坝体地震动加速度反应和残余变形分布等分布规律，这些成果可供大坝抗震设计参考使用，对其他工程亦有一定的参考价值，也是验证和改进地震动力反应方法和计算程序的基本资料。
六、结束语
综上所述，本文阐述了结构动力学的基本任务、方法和地震相关概念，并以坝体-库水-基础系统动力数值模型研究、水电站进水塔结构抗震设计研究、某区心墙堆石坝振动台模型试验研究为例，说明了结构动力学的研究在水工抗震方面的一些具体工程应用。结构动力学是一门十分有用的学科，相信随着结构动力学的发展和理论研究的深入，它在水工抗震方面的工程应用必将会越来越广泛，越来越成熟！
参考文献：
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[5]曹去修、向光红、崔玉柱，高地震烈度区特高拱坝抗震设计，水力发电学报，2009年.
论文作者:黄应江
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第15期
论文发表时间:2016/11/8
标签：结构论文; 荷载论文; 动力学论文; 动力论文; 建筑物论文; 水工论文; 刚度论文; 《低碳地产》2016年8月第15期论文;