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)如果能正確地解決模

2、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E1=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1=2=0.2，壩體混凝土容重,上游正常蓄水位78m。4.模型設(shè)計(jì)4.1相似常數(shù)根據(jù)線彈性模型的相似要求結(jié)合本次試驗(yàn)，原型（

3、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=100彈性模量比尺： CE=EP/EM=6容重比尺： C=P/M= C/ CL 應(yīng)變比尺： C=P/M=1應(yīng)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(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

4、;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)算按有帷幕，無(wú)排水（）情況考慮，按圖4-3所示分塊計(jì)算各分塊圖4-3 壩基揚(yáng)壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位;cm）

5、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)（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(jì)算71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）*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(yáng)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(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-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

7、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Centipede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eA=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.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

8、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： (6-1)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： (6-2)若此線段處于單向受力狀態(tài)時(shí)，由于泊松（金屬絲的泊松比為）效應(yīng)則； (6-3) 式中=即應(yīng)變將（6-3）代人（6-2）得； （6-4）令 則 (6-5)金屬絲的應(yīng)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(yīng)變計(jì)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(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?？勺詣?dòng)、準(zhǔn)確、可靠、快速測(cè)量大型結(jié)構(gòu)、模型及材料應(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、120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, KF

10、為低漂移差動(dòng)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(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)； - 輸入應(yīng)變量()； -低漂移儀表放大器的輸出電壓(V)； -放大器的增益。當(dāng)Eg=2V K=2時(shí) 對(duì)于1/2橋電路 對(duì)于全橋電路 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小（垂直荷載及水壓力）。 （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娣e為A=5

11、.75cm 2)。（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，后卸垂直荷載。對(duì)于一種荷載情況至少應(yīng)進(jìn)行4-5次加載測(cè)試。（8） 試驗(yàn)結(jié)束先關(guān)閉所有儀器電源。然后將模型、儀器設(shè)備整理復(fù)原。8.成果整理（1）根據(jù)相似原理由計(jì)算原型各點(diǎn)應(yīng)力、位移值。取各點(diǎn)三次相近應(yīng)變值讀數(shù)取平均值，再按下列公式計(jì)算各點(diǎn)應(yīng)力值。（2）繪制斷面應(yīng)力分布圖及上游壩面的結(jié)構(gòu)位移圖。（3）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)。（4）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。9注意事項(xiàng)（1）本次試驗(yàn)分小組由數(shù)人協(xié)作共同完成，參加做試驗(yàn)的同學(xué)必須提前預(yù)習(xí)，按時(shí)到達(dá)實(shí)驗(yàn)室。（2）認(rèn)真聽(tīng)從指導(dǎo)教師講解，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，堅(jiān)