水工結(jié)構(gòu)模型實驗指導書

1、水工結(jié)構(gòu)靜力模型實驗指導書 年 月 日水工結(jié)構(gòu)靜力模型實驗指導書 一、課程性質(zhì)和目的：（1）水工結(jié)構(gòu)模型試驗所謂水工結(jié)構(gòu)模型試驗就是將原型以某一比例關系縮小成模型，然后向該模型施加與原型相關的荷載，根據(jù)從模型上獲得的信息如應變位移等，通過一定的相似關系推出原型建筑物在應力、變形強度等成果。（2）進行水工結(jié)構(gòu)模型試驗的目的和意義水工建筑物因其受力特征、幾何形狀、邊界條件等均較復雜，特別是修建在復雜地基上建筑物更為如此，盡管計算機技術和空間有限元等正迅速發(fā)展，但目前還不能用理論分析方法完美地解決建筑物的穩(wěn)定和應力問題，因此模型試驗作為一種研究手段更具有重要的意義，可歸納成如幾個方面：1通過對水工建

2、筑物的模型試驗研究可以驗證理論設計，國內(nèi)外大型和重要的水工建筑物的設計，都同時要求進行計算分析和試驗分析，以期達到互相驗證的目的。2通過對原型結(jié)構(gòu)的模擬試驗，預測水工建筑物完建后的運行情況以及抵御事故的能力。3由于物理模型是對實際結(jié)構(gòu)性態(tài)的模擬，在模型上還有可能出現(xiàn)原先未知而又實際存在的某些現(xiàn)象，因此模型試驗研究不僅僅是對數(shù)理分析方法的驗證，而且是獲得更豐富切合實際的資料的積極探索，所以進行水工結(jié)構(gòu)模型試驗目的也是更好地探索新理論、新材料、新技術、新工藝的一種手段。（3）結(jié)構(gòu)模型試驗研究的主要內(nèi)容：a. 大型水工建筑物的整體應力及變形問題。b. 結(jié)構(gòu)物之間的聯(lián)合作用問題。c. 地下結(jié)構(gòu)的應力與

3、穩(wěn)定問題。d. 大壩安全度及破壞機理問題。e. 水工結(jié)構(gòu)的動力特性問題。f. 驗證新理論、新方法、新材料、新工藝等。（4）模型試驗的分類方法按建筑物的模擬范圍和受力狀態(tài)分類a. 整體結(jié)構(gòu)模型試驗：研究整體建筑物在空間力系作用下的強度或穩(wěn)定問題。b. 平面結(jié)構(gòu)模型試驗：研究結(jié)構(gòu)單位長度斷面在平面力系作用下的強度和穩(wěn)定問題，如重力壩壩段平面結(jié)構(gòu)模型試驗就是研究重力壩在水荷載作用下的應力和變形。c. 半整體結(jié)構(gòu)模型試驗：按作用荷載特性分類a. 靜力結(jié)構(gòu)模型試驗：研究水工建筑物在靜荷載（靜水壓力、自重、溫度等）作用下的應力、變形及穩(wěn)定問題的整體或斷面（平面）模型試驗。在靜力試驗中還可分為線彈性結(jié)構(gòu)應力

4、模型試驗（模型材料以石膏為主）和非線性結(jié)構(gòu)模型破壞試驗，即地質(zhì)力學模型試驗（模型材料以高容重、低強度、低變形模量的非線性模型材料重晶石粉等為主）。b. 動力結(jié)構(gòu)模型試驗：研究水工建筑物在動荷載作用下的結(jié)構(gòu)動力特性和動力反應的模型試驗。我們教學實驗選用靜力模型試驗中的結(jié)構(gòu)應力模型試驗，這是結(jié)構(gòu)模型試驗中采用較多的一類試驗，它的目的主要是了解結(jié)構(gòu)在受到正常荷載或特殊荷載作用下的結(jié)構(gòu)性態(tài)，如應力大小、應力分布、變形等，對不滿足工程要求的結(jié)構(gòu)提出改進措施，為工程設計提供依據(jù)。（5）結(jié)構(gòu)模型試驗的相似原理怎樣才能使水工結(jié)構(gòu)模型反映出原型水工結(jié)構(gòu)的力學現(xiàn)象呢？這就要求模型與原型兩者必須相似。所謂相似包括兩

5、個基本概念，其一是模型和原型之間的同類物理量之比為常數(shù)，稱為相似常數(shù)（相似常數(shù)），最常遇到的是彈性相似，各物理量的相似常數(shù)如下表：物理量名稱原型模型相似常數(shù)幾何尺寸應力位移彈性模量泊桑比重力密度面力（邊界應力）體力力其二是模型各物理量之間和原型各物理量之間有相同關系方程式。例如對于兩相似系統(tǒng)中的應力和應變關系若對于原型有，則對于模型應有。相似定理相似定理是進行模型試驗的理論基礎，有三個相似定理：a. 相似第一定理：對于彼此相似的現(xiàn)象其相似指標等于1或其相似判據(jù)為一不變量。b. 相似第二定理：任一現(xiàn)象的各物理量之間的關系方程式，都可以轉(zhuǎn)換為無量綱方程而兩個相似現(xiàn)象的無量綱方程中的各個對應項都是相

6、似判據(jù)式。c. 相似第三定理：在物理方程相同的情況下，若單值條件相似，則這兩現(xiàn)象一定相似。應用相似第一定理和相似第二定理，可以弄清楚兩相似體中諸物理量之間的關系，從而推導出模擬某一自然現(xiàn)象或物理規(guī)律所必須遵循的相似準則，再由相似第三定理，賦予兩相似體中各項單值條件以具體的不同數(shù)量級，即可獲得模擬這一現(xiàn)象符合相似理論的不同規(guī)模的模型方案供比較選用，這就是相似理論在模型試驗中的應用。線彈性模型所遵循的相似準則可根據(jù)相似原理由彈性力學的基本方程式和邊界條件推出：至于水工結(jié)構(gòu)模型破壞試驗不再詳述。（6）模型設計怎樣進行模型設計呢？由上節(jié)相似原理的公式得到，這就是說模型設計的基本內(nèi)容，就是要解決：用什么

7、材料做模型（確定），模型該做多大（定），以及在模型上該加多大的荷載（定）三個問題，這就要根據(jù)原型資料及試驗條件的具體情況分析確定。對教學試驗模型：（屬應力模型）：應力模型常采用=100200，幾何比尺的選用還與模型的邊界條件、地質(zhì)構(gòu)造分布情況、模型尺寸及量測設備等有關，必須加以綜合考慮，教學模型采用=100，、是代表材料的一些物理力學性質(zhì)的相似常數(shù)，這幾個常數(shù)確定了采用模型材料的種類，教學模型采用石膏材料，石膏屬脆性材料，它的值與巖石及混凝土很接近，亦能滿足的條件。一般應力模型的取值大于1000MPa，教學模型見圖1，模型采用=2500MPa的石膏材料，原型材料的=25000MPa，這時=10

8、。和：根據(jù)相似關系=，這兩個常數(shù)用于確定模型荷載的大小及加荷方式。當、確定時，可由/推出，由于試驗加荷方式采用油壓千斤頂系統(tǒng)加載，模擬水壓時（或）有較寬的變幅可供選擇。此外，邊界條件、地基范圍的確定也是模型設計中應考慮的重要因素。原則上地基范圍的大小應包括結(jié)構(gòu)受荷載作用后所影響的區(qū)域。一般對地基無特殊要求的情況下，重力壩斷面模型的壩基范圍取為：上游壩基長度不小于1.3倍壩底寬或1.0倍壩高，下游壩基長度不小于2.0倍壩底寬或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。（7）模型材料、模型制作a.模型材料，對模型材料的要求：與原型材料的物理力學性能相似，保證材料均勻性，各向同性、

9、連續(xù)性、穩(wěn)定性，材料凝固前有較好的和易性，便于施工和修補。目前常用的壩工模型材料有：純石膏材料、石膏混合材料；此外還有以石膏、重晶石粉、砂子和甘油、機油等為原料的地質(zhì)力學模型材料。圖1 某重力壩斷面b.模型制作：由從事模型試驗的工程師進行模型放樣，由專門熟練的模型工進行制作。（8）模型加荷模型加荷方法：主要有液體加荷、氣壓加荷和千斤頂加荷等。我們教學模型上采用千斤頂加荷。千斤頂加荷法：把作用于壩上的水壓力分成若干個區(qū)，計算出每個區(qū)的合力，然后用不同規(guī)格的千斤頂以集中力方式加到每個區(qū)的合力位置上。為了使受力面上的壓力分布盡量接近實際，往往在千斤頂與壩面之間設計有各種墊塊，使千斤頂出力能以分布力的

10、方式傳到結(jié)構(gòu)上去。這類加荷系統(tǒng)包括：油泵、分油器、油壓表、千斤頂、墊塊以及高壓油管等設備。這種方法的優(yōu)點是，由于它可以很方便地改變壓強，可適用于不同加荷的需要，不僅適用于彈性應力模型，而且多用它進行結(jié)構(gòu)破壞試驗。它的缺點是設備的加工精度要求高，要嚴格控制漏油問題。（9）安裝量測技術及成果整理在結(jié)構(gòu)靜力模型試驗中，通常需要量測的兩個參數(shù)是應變和位移。有了測量的應變值就可以計算出測點的正應力、主應力及其方向和大小，當測點足夠多時就可以得到應力分布。有了測點的位移值就可以得到結(jié)構(gòu)的局部變形和整體變形，以及破壞的發(fā)生與發(fā)展。目前，在模型試驗中，常用的實驗應力分析方法有電測法、機測法、光測法等，本次模型

11、實驗采用電測法，求解結(jié)構(gòu)的應力分析問題。所謂電測法就是采用敏感元件電阻片測量應變，因此貼片工藝及貼片技術是非常關鍵的問題，它直接關系到測量成果的可靠性或?qū)嶒灥某蓴?。這里講的貼片技術包括電阻片選用及質(zhì)量檢驗，試件的表面處理；電阻片的保護和防潮處理等。對于確定應力模型上測點貼片位置，一般以滿足試驗任務的要求，例如一般需要獲得應力分布、最大應力等。一般要求重復試驗的測值變幅不大于5。對于這種常溫靜態(tài)應變測量一般的程序為：首先對模型進行預壓，以消除其殘余變形，預壓荷截的大小可取材料的極限強度的1/4左右，預壓次數(shù)的多少與不同的模型材料有關。然后進行正式加荷，每次加荷順序必須統(tǒng)一，并盡量與原型實際工作狀

12、態(tài)一致，每級加荷完畢需要有穩(wěn)壓時間，使模型變形趨于穩(wěn)定（一般為1015分鐘），方可正式開始測量應變值，每級荷載最好連續(xù)循環(huán)測讀兩次，用以核對及復查。靜態(tài)應變測量一般最少重復三次。模型位移的測量也有機測與電測兩種方法。機測主要是應用千（百）分表進行位移測量，其特點是比較直觀、精度高，但儀器設置有一定局限性，受測量時間影響較大。電測主要用位移傳感器，這是發(fā)展方向。隨著高科技的發(fā)展，現(xiàn)在試驗量測技術越來越自動化，這類測試系統(tǒng)主要由三部分組成，即：自動巡回檢測系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)，輸出、打印、顯示，繪圖等外部設備，藉助于計算機，進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及成果記錄等，全部實現(xiàn)自動化程序控制，促進了模型試驗

13、技術的進一步發(fā)展。根據(jù)模型試驗量測的應變值和模型相似理論換算到原型，得到原型建筑物的特征點的應變應力值，并畫出水工結(jié)構(gòu)的應力、變形規(guī)律圖，結(jié)合水工結(jié)構(gòu)的基本理論進行成果分析。重力壩平面結(jié)構(gòu)原型上任一點應力可根據(jù)該點的一個實測應變值按下式進行計算：（不直接承受水壓力的表面） （1）式中：、分別為原型水平、垂直向正應力和剪應力、為模型材料的彈性模量和泊松比，、為密度和幾何尺寸的相似常數(shù)；()、和分別為模型實測的水平、垂直和45°方向的應變值。求得、和后，再按下式求得主應力。 （2）上式中：代數(shù)值較大的主應力為第一主應力。一般電阻應變儀以拉應變?yōu)檎担瑝簯優(yōu)樨撝?，因而在脆性材料結(jié)構(gòu)模型試

14、驗中，通常也以拉應力為正值，壓應力為負值。（材料力學法，規(guī)定則相反，正應力以壓為正以拉為負）。 圖2 應變花的貼法確定應力方向角的步驟是：首先按照圖2中確定0º方向，接著畫出角（當解為正值時，從0º（坐標）線逆時針旋轉(zhuǎn)；當角為負值時，則順時針旋轉(zhuǎn)。根據(jù)角方向給出兩條相互垂直的線，此即為兩個主應力的方向線。但第一主應力的方向還要根據(jù)剪應力的符號確定，當剪應力為正值時，第一主應力在坐標的第一、三象限；當剪應力為負值時，則在第二、四象限內(nèi)。原型各點位移的計算公式為二、實驗步驟：按照上述實驗內(nèi)容，其具體步驟見框圖。-實驗準備檢查模型狀態(tài)及測試儀器安裝、調(diào)試零預壓加載初應變檢測儀器調(diào)零實驗加載（模擬靜水壓力）荷載應變檢測打 印試驗結(jié)束成果后處理試驗步驟框圖水工結(jié)構(gòu)靜力模型實驗前修課程：水工建筑物、結(jié)構(gòu)模型試驗理論和方法。開課對象：水利水電工程專業(yè)學生。一、實驗目的水工結(jié)構(gòu)（靜力）模型實驗著重對重力壩壩段平面結(jié)構(gòu)模型進行實驗，使學生初步了解水工結(jié)構(gòu)模型的方法及分類、模型相似原理、模型設計的基本原則、模型材料、模型加荷方法以及試驗量測技術及成果整理等。鍛煉和培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力。二、實驗的任務與要求1對結(jié)構(gòu)模型試驗在水工建筑物設計、分析中的作用和地位有明確的認識。2初步掌握結(jié)構(gòu)模型試驗相似理論、模型設計、制作、量測、數(shù)據(jù)