混凝土重力壩結構模型試驗指導-2013

1、水工建筑物結構模型教學實驗重力壩斷面結構模型試驗 李桂榮 2013-3-22混凝土重力壩斷面結構模型試驗1 模型試驗的原理模型試驗的理論基礎就是相似原理。我們研究的對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性能。為了使模型上產生的物理現(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)律就是相似原理。水工結構模型試驗要解決的問題，是將原型水工建筑物上的力學現(xiàn)象縮小到模型上，從模型上模擬出與原型相似的力學現(xiàn)象中，量測應力、位移和安全度等，再通過一定的相似關系推算到原型建筑物。模型試驗如果能正確地解決模

2、擬問題，同時又采用了精確的量測方法，則其所得成果就可能較好地反映原型的實際情況。2.試驗任務對所取壩段的斷面結構模型進行一次應力試驗，提供大壩在上游正常蓄水位作用下的壩基面上應力的分布和壩體位移變化情況的試驗成果。3原型的基本資料：壩型為混凝土實體重力壩，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E1=19200Mpa,壩基巖體彈性模量E2=19200Mpa，E3=11600Mpa，基巖材料分布圖4-1?；炷僚c基巖材料的泊松比均為1=2=0.2，壩體混凝土容重,上游正常蓄水位78m。4.模型設計4.1相似常數(shù)根據(jù)線彈性模型的相似要求結合本次試驗，原型（

3、P）與模型（M）各物理量之間保持下列相似關系：幾何比尺： CL=LP/LM=100彈性模量比尺： CE=EP/EM=6容重比尺： C=P/M= C/ CL 應變比尺： C=P/M=1應力比尺： C=P/M=6位移比尺： C=P/M=100泊松比比尺： C=P/M=14.2相似模型本次試驗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，經過烘干、加工、制作而成。模型的具體尺寸和材料分區(qū)見圖4-1。 圖4-1 相似模型 1-壩體； 2-基礎；3-基礎材料分界線基礎模擬的范圍上游重力壩斷面模型基礎模擬范圍的基本原則是: 上游壩基長度不小于1.3倍壩底寬度或1.0倍壩高

4、;下游壩基長度不小于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。在有特殊地質構造時，邊界范圍還要適當增加。 上游基礎長度下游基礎長度基礎深度模型（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壓力的疊加。壩體自重荷載計算簡圖見圖4-2按圖示分塊計算。圖4-2 壩體自重荷載計算簡圖（單位;cm）說明：1、圖中虛線表示壩體自重分塊的分界線 壩基揚壓力：揚壓力計算按有帷幕，無排水（）情況考慮，按圖4-3所示分塊計算各分塊圖4-3 壩基揚壓力計算簡圖（單位;cm）

5、說明：1、圖中虛線表示揚壓力分塊的分界線 上游靜水壓力：首先計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）計算出油泵壓力表讀數(shù)（MPa）。 （4-1） 式中：為模型所要施加的上游總水壓力（KN），油泵壓力表讀數(shù)。為油壓千斤頂活塞的面積(5.75cm2)。4.4荷載計算71原型荷載（壩段長B=10米）壩體自重：1、81*12*10*24=233280KN2、（64+40）*18/2*10*24=224640 KN3、（40+20）*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=

6、304200KN壩基揚壓力：1、（6*39）*1/2+(39*6)+（22+39）*6/210*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試驗裝置及設備圖5-1 重力壩斷面結構模型圖5-2 模型的應變和位移測點布置圖（單位;cm）本次試驗所用的主要儀器、設備有：電阻應變計、UCAM-20PC應變量測系統(tǒng)、Centipede位移量測系統(tǒng)、DH3816應變量測系統(tǒng)、位移傳感器、拉力傳感器、油壓千斤頂、油泵、標準壓力表等。應力是通過粘貼

7、于模型上的電阻應變片在荷載作用下由UCAM-20PC應變量測系統(tǒng)測得應變值經計算獲得。位移是通過裝置于模型上的位移傳感器在荷載作用下由Centipede位移量測系統(tǒng)所示數(shù)值經換算獲得。模型的垂直荷載按4個分塊施加相應的集中力，每塊荷載大小是由拉力傳感器和與其連接的DH3818應變量測系統(tǒng)來控制。上游壩面水壓力用五個相同大?。ɑ钊娣eA=5.75cm 2）的油壓千斤頂通過油泵施加相應荷載，并通過各塊剛性墊塊使其轉換為近似的分布荷載。6.應力實驗中的電測原理電阻應變測量技術可用于測定構件的表面應變，根據(jù)應力與應變之間關系，確定構件的應力狀態(tài)。6.1電阻應變計（1）電阻應變計的構造 圖6-1電阻應變

8、計的構造示意圖（2）電阻應變計的工作原理 金屬電阻應變計的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生電阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應變效應。取應變計、敏感柵上取一直線段來研究應變計的應變與電阻之間的關系。設此線段的長度為L；截面積為A；電阻率為。則金屬導體的電阻值可用下式表示： (6-1)將上式取對數(shù)后再微分，即可得電阻變化與其它諸量變化的關系式： (6-2)若此線段處于單向受力狀態(tài)時，由于泊松（金屬絲的泊松比為）效應則； (6-3) 式中=即應變將（6-3）代人（6-2）得； （6-4）令 則 (6-5)金屬絲的應變與單位電阻變化成正比，其比例系數(shù)稱為金屬絲的靈敏系數(shù)。應變計的靈敏系數(shù)

9、還與敏感柵材料性能、加工工藝及所使用的粘結劑等因素有關，因此其靈敏系數(shù)均由實驗標定給出。所以（6-5）應表示為 （6-6）6.2靜態(tài)應變量測系統(tǒng) 電阻應變儀一般是用電橋將應變片的電阻變化轉換為電壓或電流的變化。以DH3816應變測試系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集箱、微型計算機及支持軟件組成?？勺詣?、準確、可靠、快速測量大型結構、模型及材料應力試驗中多點的靜態(tài)應變應力值。若配接適當?shù)膽兪絺鞲衅? 也可對多點靜態(tài)的力、壓力、扭矩、位移、溫度等物理量進行測量。測量原理: 以1/4橋、120橋臂電阻為例對測量原理加以說明。如圖6-2所示。圖6-2 測量原理圖中: Rg為測量片電阻, R為固定電阻, KF

10、為低漂移差動放大器增益, 因 即 所以 式中: -直流電橋的輸出電壓(V)； -橋壓(V)； -應變計靈敏度系數(shù)； - 輸入應變量()； -低漂移儀表放大器的輸出電壓(V)； -放大器的增益。當Eg=2V K=2時 對于1/2橋電路 對于全橋電路 這樣, 測量結果由軟件加以修正即可。7試驗步驟（1）提前預習試驗指導書，根據(jù)相似關系計算施加于模型上的荷載大?。ù怪焙奢d及水壓力）。 （2） 打開電源對各種儀器作測試前檢查及準備工作。（3） 量測應變和位移的初始讀數(shù)。（4） 開始逐級均勻地施加垂直荷載直至設計荷載值。（5） 垂直荷載加完以后，再緩慢施加水壓力達到設計荷載值。(千斤頂?shù)幕钊娣e為A=5

11、.75cm 2)。（6） 等變形基本穩(wěn)定后，開始讀各點位移及應變值。（7） 測量完畢，先卸水荷載，后卸垂直荷載。對于一種荷載情況至少應進行4-5次加載測試。（8） 試驗結束先關閉所有儀器電源。然后將模型、儀器設備整理復原。8.成果整理（1）根據(jù)相似原理由計算原型各點應力、位移值。取各點三次相近應變值讀數(shù)取平均值，再按下列公式計算各點應力值。（2）繪制斷面應力分布圖及上游壩面的結構位移圖。（3）根據(jù)試驗結果，評價結構在正常蓄水位情況下的工作狀態(tài)。（4）編寫完整的試驗報告。試驗報告應該包括：試驗任務、原型基本資料、模型相似設計、原始試驗數(shù)據(jù)、成果整理和分析等內容。9注意事項（1）本次試驗分小組由數(shù)人協(xié)作共同完成，參加做試驗的同學必須提前預習，按時到達實驗室。（2）認真聽從指導教師講解，嚴格遵守操作規(guī)程，堅