混凝土重力壩結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)指導(dǎo) 2013

1、水工建筑物結(jié)構(gòu)模型教學(xué)實(shí)驗(yàn)重力壩斷面結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)李桂榮2013-3-22混凝土重力壩斷面結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)1. 模型試驗(yàn)的原理模型試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)就是相似原理。我們研究的對(duì)象主要是水利和土建工程中的混凝土建筑物及地基。需要通過(guò)模型模擬的主要有荷載的類型及大小，建筑物的幾何形狀和材料的物理力學(xué)性能。為了使模型上產(chǎn)生的物理現(xiàn)象與原型相 似，模型材料、模型形狀和荷載等必須遵循一定的規(guī)律，這個(gè)規(guī)律就是相似原理。水工結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)要解決的問(wèn)題，是將原型水工建筑物上的力學(xué)現(xiàn)象縮小到 模型上，從模型上模擬出與原型相似的力學(xué)現(xiàn)象中，量測(cè)應(yīng)力、位移和安全度等，再通過(guò)一定的相似關(guān)系推算到原型建筑物。模型試驗(yàn)如果能正確地解決

2、模擬問(wèn) 題，同時(shí)又采用了精確的量測(cè)方法，則其所得成果就可能較好地反映原型的實(shí)際 情況。2. 試驗(yàn)任務(wù)對(duì)所取壩段的斷面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行一次應(yīng)力試驗(yàn)，提供大壩在上游正常蓄水位 作用下的壩基面上應(yīng)力的分布和壩體位移變化情況的試驗(yàn)成果。3原型的基本資料：壩型為混凝土實(shí)體重力壩，壩高為81m，壩頂寬12m，壩底寬60m,下游壩 坡1:0.75。壩體混凝土彈性模量Ei=19200Mpa,壩基巖體彈性模量E2=19200Mpa, E3=11600Mpa,基巖材料分布圖4-1。混凝土與基巖材料的泊松比均為 卩1=卩2=0.2， 壩體混凝土容重r =24KN/m3,上游正常蓄水位78m。4.模型設(shè)計(jì) 4.1相似常數(shù)

3、根據(jù)線彈性模型的相似要求結(jié)合本次試驗(yàn)，原型（P）與模型（M）各物理量之間保持下列相似關(guān)系：幾何比尺:Cl=Lp/Lm=1009彈性模量比尺：Ce=Ep/Em =6谷重比尺：Cy = y p/ 丫 m= C a/ Cl應(yīng)變比尺：C= p/ m = 1應(yīng)力比尺：Cff = a p/ a m=6位移比尺：Cb = S p/ S m = 100泊松比比尺： Cg =卩P卩m = 14.2相似模型本次試驗(yàn)的模型材料采用石膏材料，模型是根據(jù)相似要求將石膏粉和水按照 不同的比例澆注成塊體，經(jīng)過(guò)烘干、加工、制作而成。模型的具體尺寸和材料分 區(qū)見(jiàn)圖4-1。圖4-1相似模型1-壩體；2-基礎(chǔ)；3-基礎(chǔ)材料分界線基

4、礎(chǔ)模擬的范圍上游重力壩斷面模型基礎(chǔ)模擬范圍的基本原則是：上游壩基長(zhǎng)度不小于1.3倍壩底寬度或1.0倍壩高；下游壩基長(zhǎng)度不小于2.0倍壩底寬度或1.5倍壩 高；壩基深度不小于1.5倍壩底寬度或1.0倍壩高。在有特殊地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，邊界 范圍還要適當(dāng)增加。上游基礎(chǔ)長(zhǎng)度下游基礎(chǔ)長(zhǎng)度基礎(chǔ)深度模型（cm）83.00158.0083.00原型（m）83.00158.0083.004.3模型荷載（原型壩段取10m）垂直荷載：垂直荷載為壩體自重和壩基揚(yáng)壓力的疊加。壩體自重荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4-2按圖示分塊計(jì)算圖4-2壩體自重荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位；cm）說(shuō)明：1、圖中虛線表示壩體自重分塊的分界線壩基揚(yáng)壓力：揚(yáng)壓力計(jì)算按

5、有帷幕，無(wú)排水 =0.5 ）情況考慮，按圖4-3 所示分塊計(jì)算各分塊ISOiso圖4-3 壩基揚(yáng)壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位;cm）說(shuō)明：1、圖中虛線表示揚(yáng)壓力分塊的分界線上游靜水壓力：首先計(jì)算大壩在正常蓄水位情況下的模型所要施加的上游總水壓力，然后再按式（4-1）計(jì)算出油泵壓力表讀數(shù)p表（MPa）。式中：p為模型所要施加的上游總水壓力（4-1）KN），p表油泵壓力表讀數(shù)。A為油壓千斤頂活塞的面積（5.75cm2）4.4荷載計(jì)算 7. 1原型荷載(壩段長(zhǎng)B=10米) 壩體自重：1、81*12*10*24=233280KN2、(64+40) *18/2*10*24=224640 KN3、(40+20) *

6、15/2*10*24=108000 KN4、1/2*15*20*10*24=36000 KN上游水壓力：1/2*10*78*78*10=304200KN壩基揚(yáng)壓力：1、 (6*39) *1/2+(39*6)+ (22+39) *6/2 10*10=57210KN2、(34.7+21.7) *18/2*10*10=50670 KN3、(21.7+10.8) *15/2*10*10=24300KN4、(15*10.8) 1/2*10*10=8100 KN5.試驗(yàn)裝置及設(shè)備圖5-1 重力壩斷面結(jié)構(gòu)模型圖5-2模型的應(yīng)變和位移測(cè)點(diǎn)布置圖（單位;cm）本次試驗(yàn)所用的主要儀器、設(shè)備有：電阻應(yīng)變計(jì)、UCAM

7、-20PC應(yīng)變量測(cè)系統(tǒng)、Centipede位移量測(cè)系統(tǒng)、DH3816應(yīng)變量測(cè)系統(tǒng)、位移傳感器、拉力傳感器、 油壓千斤頂、油泵、標(biāo)準(zhǔn)壓力表等。應(yīng)力是通過(guò)粘貼于模型上的電阻應(yīng)變片在荷載作用下由UCAM-20PC應(yīng)變量測(cè)系統(tǒng)測(cè)得應(yīng)變值經(jīng)計(jì)算獲得。位移是通過(guò)裝置于模型上的位移傳感器在荷載作用下由Cen tipede位移量測(cè)系統(tǒng)所示數(shù)值經(jīng)換算獲得。模型的垂直荷載按4個(gè)分塊施加相應(yīng)的集中力，每塊荷載大小是由拉力傳感 器和與其連接的DH3818應(yīng)變量測(cè)系統(tǒng)來(lái)控制。上游壩面水壓力用五個(gè)相同大?。ɑ钊娣e A=5.75cm 2）的油壓千斤頂通過(guò) 油泵施加相應(yīng)荷載，并通過(guò)各塊剛性墊塊使其轉(zhuǎn)換為近似的分布荷載。6.

8、 應(yīng)力實(shí)驗(yàn)中的電測(cè)原理電阻應(yīng)變測(cè)量技術(shù)可用于測(cè)定構(gòu)件的表面應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變之間關(guān)系， 確定構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。6.1電阻應(yīng)變計(jì)（1）電阻應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造圖6-1電阻應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造示意圖（2）電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理金屬電阻應(yīng)變計(jì)的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生電阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。取應(yīng)變計(jì)、敏感柵上取一 直線段來(lái)研究應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變與電阻之間的關(guān)系。設(shè)此線段的長(zhǎng)度為L(zhǎng) ;截面 積為A ;電阻率為，。則金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：R丄（6-1）A將上式取對(duì)數(shù)后再微分，即可得電阻變化與其它諸量變化的關(guān)系式:dRd-dA(6-2)若此線段處于單向受力狀態(tài)時(shí)，由于泊松（金屬絲的

9、泊松比為J）效應(yīng)則;dA 二 _2dLA - L(6-3)式中 一丄L 即應(yīng)變將（6-3）代人（6-2）得;dRR dJR1 2JKod-1 - 2 JdRRK。；金屬絲的應(yīng)變與單位電阻變化成正比,（6-4）（6-5）其比例系數(shù)Ko稱為金屬絲的靈敏系數(shù)。應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)還與敏感柵材料性能、加工工藝及所使用的粘結(jié)劑等因素有關(guān)，因此其靈敏系數(shù)均由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定給出所以（6-5）應(yīng)表示為(6-6)6.2靜態(tài)應(yīng)變量測(cè)系統(tǒng)電阻應(yīng)變儀一般是用電橋?qū)?yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。以DH3816應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集箱、微型計(jì)算機(jī)及支持軟件組成。 可自動(dòng)、準(zhǔn)確、可靠、快速測(cè)量大型結(jié)構(gòu)、模型及材

10、料應(yīng)力試驗(yàn)中多點(diǎn)的靜態(tài)應(yīng) 變應(yīng)力值。若配接適當(dāng)?shù)膽?yīng)變式傳感器，也可對(duì)多點(diǎn)靜態(tài)的力、壓力、扭矩、位 移、溫度等物理量進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量原理：以1/4橋、120Q橋臂電阻為例對(duì)測(cè)量原理加以說(shuō)明。如圖6-2所示。圖6-2 測(cè)量原理圖中：Rg為測(cè)量片電阻,R為固定電阻,K f為低漂移差動(dòng)放大器增益因V =0.25EgK ;即 V。二 KFVj =0.25KFEgK :所以4VEg KKf式中：Vi-直流電橋的輸出電壓（卩V）；Eg -橋壓（V）；K-應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)；-輸入應(yīng)變量（1 ）；Vo-低漂移儀表放大器的輸出電壓（1 V）；Kf-放大器的增益。當(dāng) Eg=2V K=2 時(shí) ；=也 Kf對(duì)于1/2橋電

11、路2Vo-EgKKF對(duì)于全橋電路EgKKF這樣，測(cè)量結(jié)果由軟件加以修正即可7. 試驗(yàn)步驟（1）提前預(yù)習(xí)試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，根據(jù)相似關(guān)系計(jì)算施加于模型上的荷載大?。ù怪?荷載及水壓力）。（2）打開(kāi)電源對(duì)各種儀器作測(cè)試前檢查及準(zhǔn)備工作。（3）量測(cè)應(yīng)變和位移的初始讀數(shù)。（4）開(kāi)始逐級(jí)均勻地施加垂直荷載直至設(shè)計(jì)荷載值。（5） 垂直荷載加完以后，再緩慢施加水壓力達(dá)到設(shè)計(jì)荷載值。（千斤頂?shù)幕钊?面積為 A=5.75cm 繪制斷面應(yīng)力分布圖及上游壩面的結(jié)構(gòu)位移圖。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在正常蓄水位情況下的工作狀態(tài)。 編寫(xiě)完整的試驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)該包括：試驗(yàn)任務(wù)、原型基本資料、模 型相似設(shè)計(jì)、原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)、成果整理和分析等內(nèi)容。）。（6）等變形基本穩(wěn)定后，開(kāi)始讀各點(diǎn)位移及應(yīng)變值。（7）測(cè)量完畢，先卸水荷載，后卸