水工結(jié)構(gòu)模型試驗課件

第一篇水工結(jié)構(gòu)模型試驗授課人：李民

1可編輯課件PPT第一章概述第一節(jié)目的及意義

（1）確定結(jié)構(gòu)與荷載相應(yīng)關(guān)系的主要方法

①以數(shù)學力學為基礎(chǔ)理論分析或數(shù)值分析方法。②物理模型試驗方法。③安全監(jiān)測方法。

2可編輯課件PPT（2）數(shù)值計算、模型試驗和安全監(jiān)測的關(guān)系

①大型水工建筑物模型制作不易，有些因素模擬困難，不能作過程仿真分析，數(shù)學模型則易模擬計算；

②數(shù)學模型能突出構(gòu)成建筑物本質(zhì)特征的因素，便于分析了解建筑物的性能；③數(shù)學模型很容易變動有關(guān)因素條件進行敏感性分析，而模型試驗的話不容易做到；④對某些建筑物其結(jié)構(gòu)和邊界條件都比較復(fù)雜，數(shù)學模型不可能對其模擬或確定，而模型試驗?zāi)軌蚰M建筑物及其地基的實際工作狀態(tài)，可以同時考思多種因素及復(fù)雜的邊界條件，且能給人以直觀的結(jié)果和深刻的印象；⑤計算計算結(jié)果受方法、參數(shù)及邊界條件確定的影響而與實際有差異，模型因是原型的縮小，制作過程中還做了相應(yīng)的簡化，其結(jié)果與原型也有差別，安全監(jiān)測則是通過監(jiān)測設(shè)施直接在原型上觀測得到的結(jié)構(gòu)效應(yīng)量，但限于現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)，有的效應(yīng)量不易觀測，其成果與實際仍有出入；⑥模型試驗和安全監(jiān)測皆要用到測試技術(shù)來獲得各種荷載下建筑物的結(jié)構(gòu)反應(yīng)情況；⑦三者揭示的規(guī)律一致，但量值有異。3可編輯課件PPT（3）水工結(jié)構(gòu)模型試驗

是物理模型試驗方法。①將原型以某一比例關(guān)系縮小成為模型;②向模型施加與原型相關(guān)的荷載;③記錄在荷載作用下模型上反映出來的各種物理現(xiàn)象并測量相應(yīng)的效應(yīng)量；

④通過一定的相似關(guān)系推算出原型建筑物在強度、剛度、穩(wěn)定性等情況。

4可編輯課件PPT

（4）進行水工結(jié)構(gòu)模型試驗的目的和意義

①驗證設(shè)計理論。水工結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，尤其邊界條件難以模擬，理論計算很難得到精確解；安全監(jiān)測反映的情況一般是施工及運行過程中所遇到的情況，有局限性；物理模型又可能從各個方面較全面地模擬原型，相應(yīng)的成果可作為計算成果校核和補充。②預(yù)測水工建筑物完建后的運行情況以及抵御事故的能力。通過物理模擬的實驗研究揭示原型在運行過程中可能出現(xiàn)的一些重要物理現(xiàn)象以及遭遇意外情況下的破壞過程，以便在設(shè)計中采取相應(yīng)對策。③探索新理論、新材料、新技術(shù)、新工藝。

5可編輯課件PPT（5）模型試驗的特點及需求

①模擬理論伴隨數(shù)學力學分析理論的發(fā)展而發(fā)展

1960年以前，常用模型試驗研究大型結(jié)構(gòu)特性(靜力或動力)并與理論相比較，在今天，雖然一部分問題可以通過計算機模擬來代替模型試驗，但為了解決較為復(fù)雜的和有時是結(jié)構(gòu)特殊性的基本問題，不僅在土木工程領(lǐng)域，而且在機械、化學和核工程領(lǐng)域內(nèi)，還用物理模型進行試驗，所以依舊需要發(fā)展物理模型試驗。

②模擬手段受當前技術(shù)水平限制在某些方面模擬手段還難以實現(xiàn)模擬理論的要求，具體模擬時只能保證主要的或略次要的。

③模型試驗較理論分析耗時、耗財、耗人力，且不易修改試驗參數(shù)④模型試驗取材、制作、試驗方法等各環(huán)節(jié)須把握好

模型材料的選取、制作、加載、測試、試驗資料整理分析等每一個環(huán)節(jié)都要把握好。6可編輯課件PPT第二節(jié)發(fā)展歷史一、水工模型的發(fā)展階段1、初創(chuàng)階段時間：20世紀初~20世紀40年代；模型材料：橡皮（用做重力壩斷面模型）→賽璐珞（用做拱壩模型）→石膏硅藻土（做拱壩模型）測試手段：機械式引伸計→電阻應(yīng)變片試驗對象：重力壩、拱壩2、推廣發(fā)展階段時間：20世紀60年代；背景：高壩建設(shè)迅速發(fā)展，許多實際工程設(shè)計問題需解決特點：結(jié)構(gòu)模型試驗數(shù)量增多；開展研究的國家增多；有關(guān)模型試驗的學術(shù)交流增多；試驗技術(shù)有了發(fā)展，出現(xiàn)了地質(zhì)力學模型。模型比例：以意大利為代表的大比例尺模型，1:20~1:80；以葡萄牙為代表的小比例尺模型，1:200~1:500；試驗對象：重力壩、拱壩3、深入階段時間：20世紀70年代后；特點：地質(zhì)力學模型的應(yīng)用擴大了結(jié)構(gòu)模型試驗領(lǐng)域；（可研究壩體與壩基的聯(lián)合作用、重力壩的壩基抗滑穩(wěn)定、拱壩的壩肩穩(wěn)定、地下洞室圍巖穩(wěn)定等問題）計算力學的發(fā)展又使得大多工程結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析可在計算機上進行；結(jié)構(gòu)模型試驗轉(zhuǎn)向解決一些重大和復(fù)雜的問題。對象：壩、壩與基礎(chǔ)、地下洞室等，7可編輯課件PPT8可編輯課件PPT二、我國水工結(jié)構(gòu)模型試驗的發(fā)展概況20世紀50年代開始；廣東流溪河拱壩是我國第一個結(jié)構(gòu)模型試驗例子。（當時主要是線彈性應(yīng)力模型，針對壩體應(yīng)力、孔口應(yīng)力和蝸殼應(yīng)力等研究）20世紀60年代初開始在模型中模擬壩基地質(zhì)構(gòu)造，并進行拱壩和寬縫重力壩的結(jié)構(gòu)模型破壞試驗；20世紀70年代中期進行壩體表面和壩基內(nèi)部應(yīng)變的測量工作；20世紀70年代后期開始進行地質(zhì)力學模型材料的試驗研究，并進行平面的地質(zhì)力學模型試驗。20世紀80年代開始進行高拱壩的半整體和整體地質(zhì)力學模型試驗。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，很多原本需要用物理模型試驗才能模擬的問題逐漸為計算機模擬取代，但對于破壞性問題純碎用數(shù)學方法模擬還不能滿足實際的要求，要采用地質(zhì)力學模型試驗方法來研究，目前國內(nèi)外大量的水工建筑物進行地質(zhì)力學模型試驗。9可編輯課件PPT第三節(jié)模型試驗研究內(nèi)容及分類

一、研究內(nèi)容當前結(jié)構(gòu)模型試驗研究的內(nèi)容主要有:（1）大型水工建筑物的整體應(yīng)力及變形問題。（2）結(jié)構(gòu)物之間的聯(lián)合工作問題。（3）地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與穩(wěn)定問題。（4）水工結(jié)構(gòu)的動力特性問題。（5）大壩安全度及破壞機理問題。（6）探索新概念、新理論、新材料、新工藝、新技術(shù)等。10可編輯課件PPT二、模型試驗的分類

1、按建筑物的模擬范圍和受力狀態(tài)分類

（1）整體結(jié)構(gòu)模型試驗。空間力系下，研究三維應(yīng)力場和空間穩(wěn)定問題的整體模型試驗（拱壩的整體結(jié)構(gòu)模型試驗等）

（2）平面結(jié)構(gòu)模型試驗。

平面力系下，研究結(jié)構(gòu)斷面（單位長度）強度和穩(wěn)定問題的模型試驗。（平面應(yīng)力模型與平面應(yīng)變模型兩種）。（3）半整體結(jié)構(gòu)模型試驗。研究實質(zhì)上屬于空間問題但又不完全等同于整體結(jié)構(gòu)問題的試驗。（寬縫重力壩的一個壩段,重力壩的幾個壩段以及拱壩的一岸壩肩等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和穩(wěn)定分析）2、按作用荷載特性分類（l）靜力結(jié)構(gòu)模型試驗。（研究水工建筑物在靜荷載下的應(yīng)力、變形及穩(wěn)定問題的整體或斷面模型試驗）

①在線彈性范圍內(nèi)進行時稱為應(yīng)力模型試驗；

②在超出彈性范圍研究失穩(wěn)過程和破壞機理時稱為破壞試驗。有強度破壞試驗和穩(wěn)定破壞試驗。（2）動力結(jié)構(gòu)模型試驗。(在動荷載下研究水工建筑物的結(jié)構(gòu)動力特性[如頻率、振型等]和動力反應(yīng)[如動應(yīng)力和位移等]的模型試驗。)11可編輯課件PPT3、按結(jié)構(gòu)試驗的目的分類（1）線彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力模型；（2）破壞試驗?zāi)Ｐ?；?）仿真試驗?zāi)Ｐ汀?、按模型的材料分類：（1）由光彈性材料構(gòu)成的模型（光彈性結(jié)構(gòu)模型和離心模型）（2）由脆性材料構(gòu)成的模型（石膏模型、地質(zhì)力學模型、離心模型）（3）由原型材料構(gòu)成的模型有仿真模型。12可編輯課件PPT第二章水工結(jié)構(gòu)模型試驗相似性原理

第一節(jié)相似性概念相似性:為使模型上產(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，這個規(guī)律就是相似性。

荷載模擬：加載技術(shù)。（水壓力、自重、泥沙壓力、滲透壓力、溫度變化、地震等；施工工序）材料模擬：物理力學性能有比重、容重、泊松比、彈性模量、摩擦系數(shù)等模擬；熱力學性能線脹系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、熱交換系數(shù)等模擬。模型材料和原型材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在整個極限荷載范圍內(nèi)都必須滿足相似要求。

（問題：直接用原材料來做模型可以嗎？）

幾何相似：結(jié)構(gòu)形狀和尺寸相似。

13可編輯課件PPT模型試驗必須遵守的相似條件:進行試驗的模型，不僅要幾何形狀相似，而且在模型試驗過程中所包括的各項物理量或主要的物理量應(yīng)與原型相似。在實際工作中，同時都能滿足所有參數(shù)的相似要求是不可能的。通常的做法是保證滿足主要參數(shù)的相似要求，放寬或近似滿足次要參數(shù)的相似要求。14可編輯課件PPT

一、試驗?zāi)康慕Y(jié)構(gòu)的線彈性應(yīng)力模型試驗簡稱為線彈性模型試驗。目的：研究水工混凝土建筑物在正?；蚍瞧茐牡墓ぷ鳁l件下的結(jié)構(gòu)性態(tài),即研究在正?；蛱厥庠O(shè)計荷載作用下,建筑物的應(yīng)力和變形狀態(tài)。第二節(jié)線彈性力學模型及相似判據(jù)15可編輯課件PPT線彈性模型試驗分為：整體模型、半整體模型和平面模型三種類型。整體模型：多用于研究空間結(jié)構(gòu),如拱壩、連拱壩等；半整體模型：用于研究獨立壩段或局部結(jié)構(gòu),如大頭壩等；平面模型：

則用于研究重力壩、空腹重力壩等平面問題。

16可編輯課件PPT二、相似判據(jù)對于承受靜力荷載作用的線彈性體,可從彈性力學的基本方程求出相似判據(jù)。由彈性力學可知,模型內(nèi)所有點均應(yīng)滿足以下方程：平衡方程：17可編輯課件PPT相容方程：18可編輯課件PPT幾何方程：19可編輯課件PPT應(yīng)力邊界條件：20可編輯課件PPT由于模型材料為線彈性體，所以它應(yīng)像原型一樣服從虎克定律。21可編輯課件PPT原型和模型之間相同的物理量之比叫做相似常數(shù)，各相似常數(shù)如下：幾何相似常數(shù)：Cl=Lp/Lm

應(yīng)力相似常數(shù)：Cσ=σp/σm

應(yīng)變相似常數(shù)：Cε=εp/εm位移相似常數(shù)：Cδ=δp/δm彈性模量相似常數(shù)：CE=Ep/Em

波桑比相似常數(shù)：Cμ=μp/μm材料容重相似常數(shù)：Cγ=γp/γm

邊界應(yīng)力相似常數(shù)：體積力相似常數(shù)：CX=Xp/Xm

材料密度相似常數(shù)：Cρ=ρp/ρm22可編輯課件PPT根據(jù)相似原理推導(dǎo)線彈性模型的相似判據(jù)，例如由平衡方程式可導(dǎo)出：對于模型有：對于原型有：

23可編輯課件PPT根據(jù)相似常數(shù)的關(guān)系有：將相似常數(shù)的關(guān)系式帶入原型的平衡方程式得：24可編輯課件PPT根據(jù)模型與原型相似，則兩者應(yīng)有相同的關(guān)系方程式，于是可得出滿足平衡方程的相似準則：由平衡方程得：由幾何方程得：

由物理方程得：

由邊界條件得：

25可編輯課件PPT第三節(jié)破壞試驗及地質(zhì)力學模型的相似判據(jù)

一、破壞試驗?zāi)Ｐ偷南嗨婆袚?jù)目的：為了解工程結(jié)構(gòu)所具有的安全度,并預(yù)示該結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的破壞機理,或者為了對己失事的工程進行事故分析,往往需要對模型進行破壞試驗。在破壞試驗中的結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)：有的處于彈性工作階段,有的己處于塑性工作階段,有的則達到或超過強度極限而開始破裂。26可編輯課件PPT破壞試驗要求：不僅要求在彈性階段模型的應(yīng)力和變形與原型相似,同時要求在超出彈性階段直至破壞全過程中模型與原型在應(yīng)力、變形、強度幾方面都要滿足相似,即要求模型材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線,強度包絡(luò)線與原型材料的相應(yīng)曲線完全相似,習慣上稱為全相似。破壞試驗?zāi)Ｐ退裱南嗨茰蕜t參見以下公式。27可編輯課件PPT28可編輯課件PPT二、地質(zhì)力學模型的相似判據(jù)地質(zhì)力學模型把結(jié)構(gòu)物和地基看成一個整體,主要任務(wù)是研究其整體平衡。在上述整體中地基往往是薄弱環(huán)節(jié),不僅大地構(gòu)造、斷層和其中一些軟弱充填物破壞了地基的整體性,遍布巖體的節(jié)理、裂隙對巖體的削弱作用也不容忽視。水工建筑物地基的穩(wěn)定性和變形性能日益受到重視。地基穩(wěn)定性的研究實質(zhì)上就是模型的破壞試驗。所以地質(zhì)力學模型的相似判據(jù)與結(jié)構(gòu)模型的破壞試驗相同。29可編輯課件PPT在地質(zhì)力學模型試驗中，巖體自重起著重要作用。在進行地基的穩(wěn)定性試驗時,不能用內(nèi)部錨固的方法模擬自重，因為加載桿會使可能的滑動面受到約束。地質(zhì)力學模型應(yīng)盡可能選用Cρ或Cγ≤l的模型材料，用帶有被模擬的節(jié)理和裂隙的塊體砌成。但增加模型材料的容重γm是有一定限度的，目前采用最大的γm＝39kN/m3左右。

30可編輯課件PPT第三章水工結(jié)構(gòu)模型試驗基本技術(shù)第一節(jié)模型設(shè)計模型設(shè)計前需：

（1）明確試驗?zāi)康?。根?jù)試驗?zāi)康?，分清主?模擬其主要的，忽略簡化其次耍的,從而勾劃出模擬的簡化方案。（2）判定模擬材料的性質(zhì)。因為不同性質(zhì)的物質(zhì)其應(yīng)力傳播、變形特性以及破壞機理不同。模型設(shè)計的主要內(nèi)容就是要解決：

（1）用什么材料做模型，確定彈性模量相似常數(shù)CE；（2）模型該做多大，確定幾何尺寸相似常數(shù)CL；（3）在模型上該加多大荷載，確定重力密度相似常數(shù)Cγ。（4）使CE、CL、Cγ能夠滿足相似判據(jù)公式的值可能有很多組,這就要根據(jù)原型資料及試驗條件的具體情況，分析確定或設(shè)計若干組方案比較確定。31可編輯課件PPT相似常數(shù)的確定是一個綜合分析的過程,它與很多因素有關(guān)。復(fù)雜壩基模擬要求相似材料有較寬的力學指標范圍：先確定彈模相似常數(shù)CE；安裝量測設(shè)備而要求模型具有一定的尺寸：先確定幾何尺寸相似常數(shù)CL；當荷載條件一定時（如地質(zhì)力學模型，自重按體積力模擬,或者水壓荷載應(yīng)用水銀）：先定Cγ值或Cρ值。

幾何尺寸相似常數(shù)CL：標志模型的大小。由CL確定尺寸和工程量：意大利屬大比尺派，他們采用CL=25~75；葡萄牙屬小比尺派，他們采用的CL=200~500。我國常用的比尺介于兩者之間，即應(yīng)力模型采用CL=100~200,破壞模型采用CL=300~500。

32可編輯課件PPTCμ、CE、CR、Cε：代表材料的一些物理力學性質(zhì)的相似常數(shù)，確定了采用模型材料的種類。

脆性材料(石膏、輕質(zhì)混凝士等〉，其μm＝0.17～0.24，與巖石及混凝士很接近，能較好地滿足Cμ=1的條件；CE考慮到應(yīng)變測量時粘貼的電阻片與模型材料之間的剛度匹配問題，一般應(yīng)力模型的Em值取大于1000MPa;Cε可以不等于1，因為結(jié)構(gòu)物變形前后對其應(yīng)力狀態(tài)影響很?。挥米髌茐脑囼?zāi)Ｐ停诖_定彈摸和強度相似常數(shù)CE、CR時，要求模型、原型材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線及強度包絡(luò)線全相似。33可編輯課件PPTCγ和Cρ：結(jié)構(gòu)材料的重度相似常數(shù)和外荷液壓重度相似常數(shù)，根據(jù)相似關(guān)系，Cγ＝Cρ。這兩個常數(shù)確定模型荷載大小及加荷方式。

當CL及CE先確定時，Cγ(或Cρ)可從式Cγ＝CE/CL推算出，然后按γm=γρ×CL/CE確定模型材料或設(shè)計加荷方式；如果加荷方法己定，例如自重用集中力，水壓用水銀，這時可根據(jù)Cγ＝Cρ＝13.6（g/cm3）去推求CL或CE；用集中力系模擬自重以及用千斤頂系統(tǒng)模擬水壓時，Cγ(或Cρ)有較寬的變幅可供選擇。若以體積力模擬自重，并以液壓或氣壓模擬水壓，Cγ(或Cρ)可供選擇的變幅就較窄；確定Cγ(或Cρ)后算出模型上各種荷載的大小，再進行加荷設(shè)備的布置設(shè)計：不同的加荷方式適用于不同的試驗?zāi)康?，例如?yīng)力試驗，由于外荷為定值，故常采用液壓或氣壓模擬分布荷載；而對于破壞試驗，外荷是變化的，故多用油壓千斤頂方法。所以在確定Cγ(或Cρ)時應(yīng)同時考慮到試驗性質(zhì)這一因素。34可編輯課件PPT第二節(jié)模型材料2.1對模型材料的一般要求選擇模型材料除必須滿足一定的相似要求外，還需考慮以下一些一般性要求：1）材料的性質(zhì)要穩(wěn)定，包括它的均勻性以及時間效應(yīng)。2）材料的物理力學指標應(yīng)有較大的變動幅度,即具有較寬的適用范圍。3）材料要易于成型,而且成型過程中干縮變形小,以利控制模型精度。4）材料對于環(huán)境條件(例如溫度、濕度等〉的影響不敏感,有利于試驗成果的重復(fù)性。5）材料要無毒、經(jīng)濟，而且貨源充足。35可編輯課件PPT2.2模擬水工建筑物及基巖的模型材料（一）石膏類模型材料

優(yōu)點：與巖石及混凝土一樣都屬于脆性材料，模型與原型之間材料的泊桑比有較好的相似關(guān)系，有較好的彈性特性，是用作應(yīng)力試驗彈性模型較理想的材料；石膏類材料表面光滑易于粘貼電阻片；制作加工容易，適應(yīng)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體型。

缺點：從半水石膏到二水石膏的實際需水量不到石膏粉重量的20%，大量水分須在石膏硬化后加以烘干，使的制模時間較長，試驗周期也相應(yīng)較長；石膏類材料的拉壓比與巖石和混凝土材料的拉壓比相差較大，不能完全滿足破壞試驗的要求；石膏易受溫濕度的影響，需要有防潮及恒溫措施。36可編輯課件PPT（二）輕質(zhì)混凝土類模型材料

這種材料以水泥為膠凝料，以浮石、石灰石粉，或礦渣（碎石）、砂子等為骨料，按適當比例加水配制而成。有時還摻加適量的膨潤土、白堊和硅藻土以改善其性能。彈性模量：約為2000~10000MPa；泊桑比：約為0.15~0.20；極限抗拉強度與極限抗壓強度之比：約為1/11~1/9。37可編輯課件PPT優(yōu)點：從二軸和三軸試驗成果與國外一些混凝土材料的二軸、三軸試驗成果相比，其強度包絡(luò)線基本相似看，用輕質(zhì)混凝土類材料作破壞試驗，在滿足相似要求上比石膏材料要優(yōu)越。缺點：干縮應(yīng)變比混凝土大好幾倍，易干裂，只適用于直接澆筑成型，不好加工；表面粗糙,不便于貼電阻片；材料制備、模型澆筑、養(yǎng)護等以及工作條件的要求比較復(fù)雜。38可編輯課件PPT(三〉地質(zhì)力學模型材料

這是在研究壩基穩(wěn)定、地下結(jié)構(gòu)、岸坡穩(wěn)定等課題中，逐步發(fā)展起來的一種新的模型材料。主要特點:可以模擬體積力，材料容重高、彈性(變形)模量和強度低。

地質(zhì)力學模型材料由四部分成份組成：①加重料。例如重晶石粉(BaSO4)，氧化鉛(PbO)，紅丹(Pb3O4)、鐵粉等；②摻合料。例如砂子、碎石等；③膠結(jié)料。例如石膏漿、甘油、液體石蠟、水泥和水等；④調(diào)和料。例如石灰石粉、膨潤土、硅藻土等?？梢酝ㄟ^不同的配比組合，來改變模型材料的物理力學指標值。39可編輯課件PPT優(yōu)點：結(jié)構(gòu)自重滿足按體積力模擬要求，不會象采用集中力系模擬自重那樣破壞自重應(yīng)力場；模型可由小塊體砌成，便于模擬巖體結(jié)構(gòu)；目前多用于從事破壞試驗研究。缺點：材料的彈性或變形模量過低，采用電測應(yīng)力比較困難；用這類材料作模型工作量較大。40可編輯課件PPT2.3模擬地質(zhì)構(gòu)造帶的模型材料

(一)大寬度模型材料

對于像斷層或破碎帶等寬度較大的構(gòu)造，目前采用的模型材料有橡皮板、硅膠、乳膠水泥石膏等，其變形模量有的可低達幾十MPa。

(二〉小寬度模型材料

對于像節(jié)理、裂隙或某些小斷層等寬度很小的構(gòu)造，由于幾何比尺關(guān)系，往往只按接觸性質(zhì)模擬，采用只模擬摩擦力或同時模擬摩擦力與凝聚力的材料。從目前水平看,這類材料有4種：（1）紙片。紙類不同，糙度不同，模擬的系數(shù)不同。（2）薄膜。模擬更小的摩擦系數(shù)（3）涂料。對模型的地質(zhì)構(gòu)造表面進行涂層，可以只模擬摩擦力，也可以同時模擬摩擦力及凝聚力（4）夾層模擬材料。二硫化鉬；滑石粉、石灰石粉或凡士林等材，將夾層模擬材料的摩擦系數(shù)降到0.2以下。41可編輯課件PPT2.4模型塊之間的粘結(jié)材料（1）清漆類。（2）環(huán)氧類。（3）桃膠一石膏。（4）淀粉一石膏。2.5模型材料物理、力學性能的測定

模型材料物理力學性能的測定，主要項目有:變形模量；彈性模量；泊桑比；應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線；拉、壓、剪極限強度。有時還需作出材料的強度包絡(luò)線。42可編輯課件PPT第三節(jié)模型制作一、斷面模型及半整體模型的制作（一）模型材料預(yù)制塊的制作材料：石膏材料或石膏硅藻土混合材料

針對對象：如帶閘墩或?qū)捒p的壩段模型等。

做預(yù)制塊的目的：保證模型加工的精度；

縮短模型制作時間及試驗周期。

預(yù)制塊尺寸：厚10~20厘米，過大搬動不便且難于干燥；

預(yù)制塊的長和寬根據(jù)情況設(shè)計。

預(yù)制塊質(zhì)量保證：材料均勻（粉料混合均勻，利用硅藻土可防石膏顆粒沉淀但易吸潮，拌合前需測定含水量以便在拌合用水中扣除。成品可用聲波法檢查均勻性。）；立模平澆；干燥處理（曬干或烘干。以預(yù)制塊表面和內(nèi)部實測絕緣度控制：絕緣電阻大于200MΩ。）43可編輯課件PPT（二）模型加工

加工過程：按照模型設(shè)計要求，將預(yù)制塊制成一定厚度的矩形平板，然后再雕刻成型。

表面處理：刮刀由人工刮平；電動石膏平磨機將表面磨平。

壩體與壩基為同種均質(zhì)材料

：用一塊預(yù)制塊制成模型一起加工。

壩體與壩基不是同種均質(zhì)材料

：分別制成模型塊加工，最后再組裝或粘合成完整的模型

（三）模型的組裝和粘結(jié)

壩體及壩基連成一體時：可將模型直接粘結(jié)在模型加荷架基面上。

壩體及壩基分成數(shù)塊時：將壩體及壩基各塊模型先進行試組裝，符合精度要求后將壩基各塊模型粘合成整體，并粘結(jié)在加荷架基面上，再將壩體粘結(jié)在壩基上。44可編輯課件PPT45可編輯課件PPT二、整體模型的制作（一）模型成型工藝1.壩體模型的成型工藝壩體與壩基的力學性質(zhì)相同時，將壩體與壩基當作整體考慮，一次澆注成型。壩基地質(zhì)條件復(fù)雜時，將壩體連帶一小部分壩基，單獨澆注成型。澆模后室溫下干燥3~5日再送入烘干室干燥。模型干燥后進行雕刻加工。模型雕刻精度一般要求控制在±1.0cm之內(nèi)。模型加工完畢后，可用超聲波儀或聲波儀檢查模型內(nèi)部質(zhì)量的均勻性。2.壩基部分模型加工壩體與壩基為同一均質(zhì)材料的小模型，壩體與壩基可一次澆成并雕刻成型；大模型則分別加工成型，然后拼裝粘合成整體。壩體與壩基差別較大時分別加工成塊體，并砌筑成模型壩基，然后在其上安放壩體模型。

46可編輯課件PPT（二）模型的組裝和粘結(jié)整體模型雕刻好后運送到模型槽內(nèi)固定即可；壩體與壩基分別成型，在模型槽內(nèi)組裝和粘結(jié)；壩體與壩基為同種均質(zhì)材料但壩體內(nèi)須設(shè)自重加荷拉桿時，這時可將壩體與壩基沿相應(yīng)方向分成若干塊分別加工成型，然后在模型槽內(nèi)每兩塊之間埋入施加自重拉桿，并拼裝粘結(jié)成整體模型。

三、模型烘干技術(shù)在烘干室內(nèi)烘干。室內(nèi)溫度均勻并長期保持恒溫，室內(nèi)溫度控制在35~40℃為宜。有通風排濕措施。47可編輯課件PPT四、模型粘結(jié)技術(shù)（一）模型粘結(jié)劑

模型粘結(jié)劑的作用，就是將石膏或其它脆性材料模型塊體粘結(jié)成一個完整的模型。在彈性應(yīng)力模型試驗中對粘結(jié)劑的要求是：

具有一定的粘結(jié)強度；彈性模量與被粘結(jié)的模型塊相近；固化后在室溫下性能穩(wěn)定。在破壞試驗中對粘結(jié)劑的要求：

斷裂線能穿過粘結(jié)面，保證破壞形態(tài)相似。48可編輯課件PPT（二）粘結(jié)時應(yīng)注意事項模型粘結(jié)需注意以下事項：

1．粘結(jié)前模型表面拂刷干凈，不留粉塵，以免影響粘結(jié)質(zhì)量。2．粘結(jié)時在兩個粘結(jié)面上均勻涂抹一層粘結(jié)劑，數(shù)量以在粘結(jié)時在模型塊上加壓后縫面四周能擠出一些粘結(jié)劑為宜。粘結(jié)劑內(nèi)及粘結(jié)層中應(yīng)注意將氣泡排凈，保證全面積粘合均勻。粘結(jié)層厚度一般為1mm。3.粘結(jié)時要防止錯位，在粘結(jié)劑凝固前，更需注意模型塊的定位。4.壩體模型與壩基粘結(jié)時，要對壩體上下游靠近壩基處的應(yīng)變片采取保護措施，防止應(yīng)變片被粘結(jié)劑蓋住，影響其工作性能?？蓪?yīng)變片表面用蠟封住，再在它表面涂凡士林，并蓋上一層薄電容紙。49可編輯課件PPT第四節(jié)加載方式4.1自重的加荷方法(1)集中力系法一種常用的方法。不適合測全場應(yīng)力，破壞了應(yīng)力場。①將模型劃分為若干個區(qū)，計算出每區(qū)的自重及重心位置;②在各重心點埋設(shè)加力塊;③通過連接加力塊的鋼桿或鋼絲在模型外加集中力。如圖所示。(2)面力法研究對象：不是建筑物本身，例如屬于地基的應(yīng)力和穩(wěn)定問題；做法：將上部結(jié)構(gòu)簡化，并將自重以一個或幾個集中力或分布力作用于被簡化了的上部結(jié)構(gòu)上，但是必須使基巖面上的自重應(yīng)力分布符合實際。(3)體力法方法：按照Cx＝1的相似要求選擇模型材料；特點：這種模型材料具有與混凝土和巖石相近的容重，因此它不需借助外力，完全以體力模擬自重，盡管這樣做仍然測不到自重應(yīng)力，但它能較好地滿足結(jié)構(gòu)破壞試驗的要求。50可編輯課件PPT51可編輯課件PPT4.2靜水壓力的加荷方法(1)液體加壓法①在模型的受壓面上，墊一層泡沫塑料或毛氈；

②安裝乳膠袋；③在乳膠袋內(nèi)罐注液體，即產(chǎn)生沿高程呈三角形分布的模擬水壓力。④施加于模型上的液壓有ρm＝ρpCl/CE。對于靜水壓力ρp=10kN/m3，則有ρm＝10Cl/CE。優(yōu)點：能正確模擬三角形荷載，加荷設(shè)備簡單，操作方便。缺點：CP變幅小，只能模擬線性荷載，而且不少液體有腐蝕性、有毒，特別是使用水銀必須要有嚴格的防漏及防毒措施。52可編輯課件PPT(2)壓縮空氣加壓法①將荷載分布圖形按高程分成若干條帶，每一條帶都設(shè)置相應(yīng)尺寸的乳膠袋；②以各條帶平均壓強為控制指標，分別向各乳膠袋充填壓縮空氣便形成作用于結(jié)構(gòu)面上的荷載。效果：這種加荷方法是以階梯形壓力分布代替了三角形分布的靜水壓力分布。優(yōu)點：Cp可以變化，但變化不能太大；可以模擬非線性荷載，進行荷載疊加。缺點：要求氣袋和結(jié)構(gòu)受力面緊密結(jié)合；壓力不能加到很大。適用：多用于應(yīng)力模擬試驗。53可編輯課件PPT54可編輯課件PPT55可編輯課件PPT56可編輯課件PPT57可編輯課件PPT58可編輯課件PPT59可編輯課件PPT(3)利用千斤頂以集中力方式加載常用加載方法①把作用于壩或其它水工建筑物上的水壓力（包括淤沙壓力等）分成若干個區(qū)，計算出每個區(qū)的合力；②用不同規(guī)格的千斤頂以集中力方式加到每個區(qū)的合力位置上；③在千斤頂和壩面之間設(shè)置不同樣式的墊塊使荷載以不同形式加到壩體上。優(yōu)點：:由于它可以很方便地改變壓強，因此適應(yīng)于Cε＝1或Cε≠1時的不同加荷需要；Cp可以有較大的變化范圍，所以不僅適用于彈性應(yīng)力試驗，而且多用它進行結(jié)構(gòu)的破壞試驗。缺點：對設(shè)備的加工精度要求高，要控制漏油問題；安裝比較復(fù)雜，尤其是三維模型荷載方向不易控制準確，加載面上的應(yīng)力值有時失真。

60可編輯課件PPT61可編輯課件PPT4.3揚壓力的加荷方法未很好解決。常用以下方法①作用于重力壩壩基面上的揚壓力采用上部自重按揚壓力分布圖扣除重量的方法模擬；②作用于基巖切割面和滑裂面上的揚壓力采用充氣沙袋模擬。③作用于拱壩兩岸山體內(nèi)帷幕前的滲透壓力以外力形式加在帷幕上。④針對具體問題采用具體方法。4.4溫度荷載的加荷方法未很好解決。僅考慮均勻升溫或降溫。（1）直接加溫法將小比例模型置入油缸中，上下游油缸中布置蛇形管通以不同溫度的熱水形成溫度差。（2）當量水荷法在拱壩整體結(jié)構(gòu)模型中把均勻溫升或溫降換算成當量外水壓力作用于壩面上。62可編輯課件PPT第五節(jié)量測技術(shù)靜力試驗主要效應(yīng)量（1）應(yīng)變：以此計算正應(yīng)力和主應(yīng)力的以及方向，得到應(yīng)力分布；（2）位移：得到結(jié)構(gòu)局部和整體變形，了解破壞的發(fā)生和發(fā)展。應(yīng)變及位移的測量方法：機測；電測。（1）機測

①機測位移系通過安裝在測點上的千（百）分表測讀；

②機測應(yīng)變則是由安裝在測點上的位移計所截取的間距為L的兩固定點之間的相對位移△L計算該兩點之間的平均應(yīng)變ε=△L/L。63可編輯課件PPT（2）電測

主要方式是在模型表面(或內(nèi)部)粘貼(或設(shè)置)傳感元件，將測點處的效應(yīng)量轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

電測法優(yōu)點①靈敏度高應(yīng)變可測到1×10-6；②傳感元件體積小用于測量應(yīng)變的電阻片最小尺寸只有1mm2，不影響應(yīng)力狀態(tài)；③測量范圍寬測量范圍從幾個微應(yīng)變到幾萬個微應(yīng)變。④環(huán)境適應(yīng)性強可用于復(fù)雜環(huán)境條件下測量，如水下、高溫、高壓等。⑤便于遙測、自動化及信息數(shù)字化電測法缺點①只能測標距范圍內(nèi)的平均應(yīng)變；②對加工和安裝工藝要求較嚴格；③對環(huán)境條件也有要求。64可編輯課件PPT（一）應(yīng)變測量

1測量原理利用金屬電阻絲受力變化的特性，建立電阻絲變形與阻值變化的關(guān)系測試應(yīng)變。

應(yīng)變電阻測量的基本原理及其過程框圖65可編輯課件PPT

①將電阻片粘貼在結(jié)構(gòu)模型測點處；②模型受到荷載后產(chǎn)生的變形（ε）傳給了電阻應(yīng)變片，使電阻值發(fā)生了相應(yīng)的變化(?R)；

③電阻變化值通過電橋后轉(zhuǎn)換為電壓（Uk）變化值輸出；④再將輸出的電壓信號經(jīng)過放大器放大；⑤然后再利用相敏檢波電路，把由應(yīng)變變化引起的電壓的不同極性區(qū)別開來；⑥最后由記錄儀顯示及記錄下來。66可編輯課件PPT

2．電阻應(yīng)變片與電阻應(yīng)變儀（1）應(yīng)變片

①電阻應(yīng)變片(或稱應(yīng)變片)，又稱電阻片，是實現(xiàn)應(yīng)變電測最重要最基本的傳感元件。不同的電阻應(yīng)變片有不同的功能。②應(yīng)變片選擇

需考慮試驗的目的，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，試驗的環(huán)境條件，被測材料的性質(zhì)，以及運行操作條件等。根據(jù)上述考慮選擇應(yīng)變片的類型、相應(yīng)的電阻值,標距，以及靈敏系數(shù)等。

種類選擇：脆性材料，貼片后保存時間不長，選常溫紙基絲繞片（或短接片）；金屬材料，貼片后需長時間保存，選膠基萡片；混凝土材料，上述兩種皆可；特殊用途：選專用應(yīng)變片。半導(dǎo)體片；高溫應(yīng)變片；裂縫擴展片；疲勞壽命片等。

標距選擇：標距指應(yīng)變片金屬絲柵的長和寬，代表應(yīng)變片的大小。國內(nèi)最?。?mmX1mm。高應(yīng)力梯度區(qū)的測量與標距關(guān)系較大。用于非均質(zhì)材料上的應(yīng)變片標距不小于粗骨料粒徑的4~5倍。

阻值選擇：阻值為未安裝前不受外力和室溫下的電阻值。有阻值為60、120、200、350、600、1000Ω的最為常用。

靈敏系數(shù)選擇：靈敏系數(shù)K為應(yīng)變片對于承受應(yīng)變的靈敏程度。與材料和制造工藝有關(guān)，由廠家隨應(yīng)變片一同提供。同一模型應(yīng)變片的靈敏系數(shù)最好一致。67可編輯課件PPT（2）應(yīng)變儀應(yīng)變儀是由測試電橋及電壓信號放大器組成的一個電阻值變化量測試系統(tǒng)。由電橋?qū)⒆柚底兓哭D(zhuǎn)化為電壓，再通過電壓放大器放大后進行量測并輸出。（3）應(yīng)變量①電阻應(yīng)變片反映的應(yīng)變由荷載產(chǎn)生的應(yīng)變和由應(yīng)變片自身溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)變兩部分組成；②應(yīng)變片自身溫度變化引起的應(yīng)變消除：在工作應(yīng)變片邊上貼不受荷載作用的應(yīng)變片，分別接至應(yīng)變儀的半橋臂，利用電橋相鄰兩臂同時產(chǎn)生符號相同、大小相等的電阻增量不產(chǎn)生輸出電壓的特性消除。68可編輯課件PPT3．常溫靜態(tài)應(yīng)變測量（1）單軸應(yīng)力問題：在已知主應(yīng)力方向貼上單個應(yīng)變片；（2）斷面上的二維應(yīng)力問題：測點上在0°、45°、90°三個方向貼上應(yīng)變片；（3）空間應(yīng)力問題：測點在x-y、y-z、z-x三個面共貼9個應(yīng)變片（4）常溫靜態(tài)應(yīng)變測量的一般程序①模型預(yù)壓：以消除其殘余變形，預(yù)壓荷載的大小可取材料極限強度的l/4左右即可；②正式加荷：每次加荷順序必須統(tǒng)一，并盡量與原型實際工作狀態(tài)一致。③卸荷使模型復(fù)原：第二次加荷測量必須在模型徹底復(fù)原后方可進行。69可編輯課件PPT(二)位移量測模型位移的測量有機測和電測兩種方法。機測：主要應(yīng)用千(百)分表進行位移測量。

優(yōu)點：直觀、不受溫濕度干擾。缺點：體積大，對于象測門槽等部位的變形時安裝有困難；測整體模型的全場位移時幾十只表互相重疊交叉，給測讀帶來困難。電測：是一種非電量電測技術(shù)，模型位移物理量變化通過設(shè)置于模型上的位移傳感器，使之轉(zhuǎn)化為電量（電阻、電感）變化，再經(jīng)接受器變換處理顯示其結(jié)果。

常用位移傳感器：電阻式（位移變化轉(zhuǎn)化為阻值變化輸出）和電感式（位移變化轉(zhuǎn)化為電感量變化輸出）。前者通過全橋或半橋電路來測阻值變化；后者由專用就收設(shè)備測試。兩者皆可連接萬能應(yīng)變儀測試裝置實現(xiàn)位移測量自動化。

當Cε=1時，模型位移量乘以模型的幾何比尺即為原型的位移量。70可編輯課件PPT（三）應(yīng)變位移的現(xiàn)代量測技術(shù)常規(guī)測量技術(shù)存在的主要問題：（1）在測點多的情況下，測量時間太長，易受環(huán)境影響；（2）儀器之間容易發(fā)生干擾；（3）對荷載穩(wěn)定性要求高；（4）無法對破壞過程進行有效的跟蹤。為此，目前國內(nèi)外都已發(fā)展了用計算機控制的不同程度的自動化測試裝置。71可編輯課件PPT這類測試系統(tǒng)主要由三部分組成：自動巡回檢測系統(tǒng)；計算機控制系統(tǒng)；輸出、打印、顯示、繪圖等外部設(shè)備。借助于計算機的邏輯功能，使得數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及成果記錄全部實現(xiàn)自動化和程序控制。這就從根本上克服了常規(guī)儀器在進行復(fù)雜問題研究中所出現(xiàn)的技術(shù)矛盾，從而為復(fù)雜結(jié)構(gòu)、破壞機理、安全度等方面的物理模型研究提供了有力的工具，促進了模型試驗的進一步深入與發(fā)展。72可編輯課件PPT第四章大花水碾壓混凝土拱壩整體結(jié)構(gòu)線彈性應(yīng)力模型試驗第一節(jié)工程概況和基本資料

位置：清水河中游，支流獨木河河口1.9km以下，距貴陽市62km，距開陽縣45km。

擋水建筑物：拋物線雙曲拱壩加左岸重力壩

總裝機和庫容：裝機容量200MW，總庫容2.765億m3。

拱壩：壩頂高程873.00m；最大壩高134.5m；厚高比0.186

重力壩：壩頂高程873.00m，最大壩高73.00m

壩基巖層及壩體混凝土力學參數(shù)：彈性模量；泊松比73可編輯課件PPT74可編輯課件PPT拱冠粱剖面圖75可編輯課件PPT第二節(jié)結(jié)構(gòu)模型試驗試驗?zāi)康模簤误w左右岸1/3拱弧處設(shè)與不設(shè)左右岸誘導(dǎo)縫以及設(shè)不設(shè)周邊縫時在下游水壓力