摘要：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；地震；水工抗震；工程应用
正文：
一、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。【1】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。
二、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。【3】
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。【4】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。
三、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。【5】
（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）双江口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。【7】
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。
双江口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，得到了双江口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。【8】
四、总结
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、双江口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：
[1] 杜正国，结构力学教程，成都，西南交通大学出版社，2004年8月，384
[2] 李东旭，高等结构动力学，北京，科学出版社，2010年，2-4
[3] 胡少伟，结构振动理论及其应用，北京，中国建筑工业出版社，2005年，195
[4] 彦宏亮，水工建筑物，北京，化学工业出版社，2007年2月，1-2
[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