（水工结构工程专业论文）大岗山拱坝动力模型破坏试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着西部大开发战略的实施，一批高拱坝在我国西南部正在或将要开工建设，这些 工程库容达数十亿到数百亿立方米，并且大部分处于强烈地震活动区，若发生破坏将带 来严重的后果。本文以研究混凝土拱坝的地震破坏形态、破坏机理为目的，从混凝土拱 坝动力模型破坏试验入手，结合数值计算研究了混凝土拱坝的可能破坏模式。以试验数 据验证数值模拟的精度，从而可以更全面地考察拱坝的抗震性能，为工程设计人员有针 对性地采取工程措施进行拱坝抗震设计提供参考。主要内容如下： 进行大比尺动力模型破坏试验时，研制出满足相似要求的模型材料成为问题的关 键。为了得到模型试验所需要的理想材料，对大连理工大学研制的仿真混凝土材料的力 学性能进行了进一步的研究。对仿真混凝土进行了单向应力状态下的拉、压试验，系统 地研究了龄期、加载速率等对仿真混凝土强度的影响；进行了抗剪试验、断裂破坏试验， 测试了仿真混凝土材料的抗剪强度及断裂韧度：同时研究了仿真混凝土材料弹性模量随 龄期变化关系。 采用方程分析法，详缅介绍了弹性动力模型试验的常用的相似准则，阐述了各自的 前提条件以及各相似律之间的转换关系。 采用仿真混凝土模型材料，进行了整体、分缝拱坝动力模型破坏试验，研究混凝土 拱坝在地震过程中的破坏形态。采用弹脆性损伤模型模拟了混凝土拱坝的损伤破坏过 程，分析了拱坝的损伤破坏影响因素，并与试验结果进行了对比分析。 本文介绍了一种测缝位移装置，该缝位移计外形类似o 形状，称之为双欧米伽 缝位移计，它能同时测量两个互相垂直的微小相对位移，并成功的应用到拱坝动力模型 破坏试验横缝开度测量。 进行仿真混凝土材料应变测量时，比较、分析了应变片以及光纤光栅应变计测量技 术各自优缺点。对于光纤光栅应变数据，比较了两种常用处理方法，并提出了另一种较 为合理的方法。 最后对所做工作进行了总结，并提出下一步工作的发展方向和前景。 关键词：拱坝；仿真混凝土材料；相似理论；动力模型试验；横缝 大连理工大学硕士学位论文 f a i l u r et e s tr e s e a r c ho i ld y n a m i cm o d e lo fd a g a n g s h a n a r c h d a n a b s t r a c t w i t hi m p l e m e n t i n go ft h ew e s tg r a n dd e v e l o p m e n ts t r a t e g y ，o n eb a t c ho fh i g ha r c h d a mi sb e i n gb u i l to rw i l lb ec o n s t n 烈e di ns o u t h w e s tc h i n 乱t h er e s e r v o i re a p u c i t i e so f t h e s e p r o j e c t s r e a c hs e v e r a lb i l l i o nc u b i cm e t e r s , a n dm o s to ft h e s ep r o j e c t sb u i l di n s t r o n g e a r t h q u a k er e g i o n o n c et h ed a m sa r ef a i l u r e i tw i l lb r i n gs e r i o i l sc o n s e q u e n c e i no r d e rt o s t u d yt h ed y n a m i cd e s t r u c t i o nm e c h a n i s mo fc o n c r e t ea r c hd a mi ne a r t h q u a k e ，t h ed y n a m i c s h a k i n gt a b l em o d e le x p e r i m e n t sa n df e m - b a s e dn t u n e r i c a lc a l c u l a t i o n sw e l ea d o p t e dt o r e s e a r c ht h ep o s s i b l ef a i l u r em o d e t h er e s u l t so f f e ri m p o r t a n tr e f e r e n c et oe n g i n e e r i n g d e s i g n e r sa n da n t i - s e i s m i cd e s i g n 玎l em a j o rc o n t r i b u t i o i l sa l es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i nl a r g es c a l em o d e ls h a k i n gt a b l et e s to fc o n c r e t eg r a v i t yd a r r l ，h o wt od e v e l o pat y p eo f s i m i l a rm o d e lm a t e r i a lt om e e tt h es i m i l a rr e q u i r e m e n t sb e c o m e st h ek e yt ot h ep r o b l e m i n o r d e rt oo b t a i nai d e a lm a t e r i a lf o rl a r g es c a l em o d e lt e s t , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f e m u l a t i o nc o n c r e t em a t e r i a l si n v e r t e db yd al i a nu n j v e r s i t yo ft e c h n o l o g yw a sf u r t h e r s t u d i e d t e s to nc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hw e r ep e r f o r m e da n dv a r i a b l e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e n g t ho fe m u l a t i o nc o n c r e t ea n dc u r i n gt i m e ，l o a d i n gr a t ew a s s t u d i e d t e s to ns h e a rs t r e n g t ha n df r a c t u r eb e h a v i o ro fe m u l a t i o nc o n c r e t ew e r ea l s op e r f o r m e da n d t h er e l a t i o nb e t w e e ni t sm o d u l u sa n dc u r i n gt i m ew a sa l s oa n a l y z e d s i m i l a r i t yt h e o r yi st h ep r e m i s eo ft h el a r g es c a l em o d e le x p e r i m e n t s 码eb a s i c r e q u i r e m e n t sa n ds i m i l a r i t yc r i t e r i ao fd y n a m i cm o d e lt e s tw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i lb a s e d0 1 1 t h ee q u a t i o n sa n a l y s i sm e t h o d s e m u l a t i o nc o n c r e t em a t e r i a lw a su s e dt os t u d yt h ei n t e g r a t e da n d o i m e da r c hd a m s f a i l u r ep r o c e s si ne a r t h q u a k eb ys h a k i n gt a b l et e s t s t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ed a m a g eo f d a mw c r ea n a l y z e dt h r o u g hs i m u l a t i o no nt h ef a i l u r ep r o c e s so fc o n c r e t ea r c hd a mb yu s i n g e l a s t o - b r i t t l ed a m a g ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n sm o d e lf o rc o n c r e t e 1 1 1 er e s u l to fc a l c u l a t i o n sw a s a l s oc o m p a r e dw i t ht e s tr e s u l t i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c eam e a s u r e m e n td e v i c ef o rt h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n to f o i n t 1 1 1 ed i s p l a c e m e n tm e t e ro f j o i n t sw a sc a l l e dd o u b l e o m e g ad i s p l a c e m e n tm e t e ro f j o i n t sf o ri t s s h a p el i k i n g q i tt o d db eu s e dt on l e a f f b r eb o t ht h er e l a t i v en o r l l a la n da l s ot h es h e a r d i s p l a c e m e n tb e t w e e nt h ec o n t a c t r u f a c es i m u l t a n e o u s l y ，a n dw a ss u c c e s s f u l l yu s e dt o m e a s u r et h et r a n s v e r s e j o i n t sa p e r t l l r eo na ns e i s m i cr u p t u r em o d e lt e s to f a r c hd a m 一i i 大岗山拱坝动力模型破坏试验研究 w ec o m p a r a t i v ea n a l y s i st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs t r a i ng a u g ea n df i b e r g r a t i n gs 臼l s o ri ns t r a i nm e a s u r e m e n to fe m u l a t i o nc o n c r c t w ea l s oc o m p a r et w oc o m m o n m e t h o d sf o rf i b e rg r a t i n gs t r a i nd a t ap r o c e s s i n ga n dp u tf o r w a r dan e wm e t h o df o rf i b e r 孕鲥n gs t r a i nd a t ap r o c e s s i n g a tl a s t , d r a w i n gt h ec o n c l u s i o no ft h ew o r ko ft h ep a p e r ，t h ee x p e c t a t i o no fa d v a n c e d r e s e a r c hi sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：a r c hd a m ；e m u l a t i o nc o n c r e t em a t e r i a l s ；s i m i l a r i t yt h e o r y ；d y n a m i cr u p t m e m o d e lt e s t ；c o n t r a c t i o n j o i n t s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对席, j o f 究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：避亟日期：皇o ：! 兰：竺 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名： 然 江年卫月型日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 我国是世界上水能资源最丰富的国家，开发西部水能资源是当前我国可持续发展战 略与西部大开发战略的关键之。云南、贵州、四川、青海等西部省份都将水能开发作 为地方支柱产业。开发西部水能资源不仅可以改善电力能源结构，在“西电东送，, a 建立 全国电网中发挥骨干作用，还可以减少煤炭石油等化石能源的消耗，减少大气污染，减 少我过能源对国外的依赖程度。开发西部水电资源还可以发挥资源合理配置和形成江河 防洪安全体系的综合效益，充分利用西部资源优势，促进西部经济、社会的全面发展。 在新世纪上半时，我国的水电建设将处于重要发展时期，一批高拱坝( 例如长江上游的 溪洛渡、百鹤滩，澜沧江上的小湾，雅砻江上的锦屏，乌江上的构皮滩，黄河上游的拉 西瓦，大渡河上的大岗山) 都已相继开工建设，这些拱坝的坝高均超过2 0 0 m ，库容达 数十亿到数百亿l n 3 ，电站装机1 5 0 万到1 4 0 0 万k w 。这些高坝大库发生破坏，除工程 本身破坏引起的经济损失以外，如果出现溃坝失事，其次生灾害带来的后果将会极其严 重。因此，高拱坝的安全具有特别重要的意义。 我国是地震多发的国家，特别是我国睡部大部分地区处于强烈地震活动区，上述拱 坝的设计地震烈度多在v i 度之间( 设计地震加速度一般为0 2 9 o 3 2 9 ) ，根据现有 的计算方法分析，坝体线弹性计算的最大动拉应力可达7 8 m p a 远远超过混凝土极限 抗拉强度，强烈地震是威胁高拱坝安全的主要荷载，高拱坝的抗震设计是工程建设的关 键之一。 迄今为止，世界上著名的混凝土高坝破损实例有法国m a l p a s s e t 拱坝坝基失稳溃坝， 意大利v a j o n t 拱坝库岸滑坡涌浪，奥地利k o h b r e i n 拱坝坝踵开裂。高坝强震损坏的实 例有我国新丰江、印度k o y n a 坝强震裂缝，美国p a c o i m a 拱坝在1 9 7 1 年s a nf e n a n d o 地震和1 9 9 4 年n o r i d g e 地震中两度拱坝与重力墩连接缝拉开，台湾石岗坝在9 2 1 地震 中发生错距为8 米的断裂错动等。总结混凝赢坝破坏机理。主要有：( 1 ) 非连续( 节理、 断层、软岩) 坝基岩体在蓄水渗流或强震下发生变形、滑动；( 2 1 混凝土在蓄水与强震作 用下发生强度断裂。 我国地域广阔，地震频繁而强烈。近几十年，已发生过多次灾害性的大地震，像1 9 7 0 年通海地震，1 9 7 5 年海城地震、1 9 7 6 年唐山大地震及1 9 8 7 年邢台地震等。尤其是唐山 大地震，震级近8 级，死亡2 4 万余人，强震区内几乎一片废墟，灾害之惨重令人触目 大岗山拱坝动力模型破坏试验研究 惊心【1 】。因此，对于地震灾害的预报、加强地震灾害机理和防灾措施的研究，尤其是对 一些大型水工、港工、房屋、桥梁及公路等重大工程的抗震防灾工作就显得尤为重要。 中国油气供需矛盾突出，据国土资源部预计，中国石油开采年限为1 5 年，远远低 于世界5 1 年的平均水平。2 0 0 5 年，中国的石油对外依存度达到4 3 ，有关部门预计， 到2 0 2 0 年中国石油需求量将高达4 5 亿吨，其中2 亿吨自产，2 5 亿吨来自进口。尤其 是近年国际油价大幅飙升，对中国经济的影响越来越大。作为可再生能源之一的水利发 电，为解决我国可持续发展的能源瓶颈问题正发挥越来越大的作用。在我国西部大开发 的国策中一个重要方面就是利用西南、西北地区丰富的水利资源，修建水利工程，为东 南沿海地区提供电力【2 】。同时水利工程能够起到防洪、灌溉、引水、养殖、旅游等综合 效益。水利工程中作为蓄水工程主体的大坝一旦失事将给下游人民的生命和财产造成巨 大的直接和间接损失。据统计，近年来全世界每年的垮坝率虽然较过去有所降低，但是 仍在0 2 左右i s , 4 。我国西北和西南地区受环太平洋地震带及豫欧地震带的影响，地震 活动频繁，历史上多次发生灾害性的大地震，近期又处于地震活动的上升期。因此，在 这样的地区修建水利工程的最重要问题之一就是水工建筑物的抗震问题嘲。 我国地处世界环太平洋地震带与欧亚地震带之间，是世界上地震灾害严重的国家之 一。据不完全统计，有记载以来我国已发生破坏性地震1 0 0 9 次。2 0 世纪以来我国已发 生震级大于6 级破坏性地震6 5 0 多次，其中7 7 9 级地震9 8 次，8 级以上9 次。1 9 4 9 年以来，发生7 级及7 级以上地震4 9 次，地震死亡的人数高达2 8 万，倒塌房屋7 0 0 余 万间，每年平均经济损失约1 6 亿元。全国地震基本烈度度以上地区占国土总面积的 3 2 5 ，4 6 的城市和许多重大工业设施、矿区、水利工程位于受地震严重危害的地区。 我国又是世界上水能资源最丰富的国家，理论蕴藏量达6 7 6 亿k w ，其中7 0 集中 在西部，但已开发的容量仅占2 4 左右，西部所占比例更少。世晃上发达国家水电平均 开发量均在6 0 以上，其中美国约8 2 ，日本约8 4 ，法国、挪威、瑞士等都在8 0 0 , 4 以上，因此，我国的水能资源仍有较大的开发潜力。随着国民经济的发展，为满足对绿 色能源越来越大的需求，在“西部大开发”和“西电东送”战略任务支撑下，在本世纪 上半叶，我国水电能源的开发利用将进入重要的发展时期。按照国家对能源和水利事业 的发展规划，一大批拱坝在1 0 0 3 0 0 m 左右的世界级高混凝土坝即将在我国西南地区开 工建设，其中如长江上游的溪洛渡( 2 7 8 m ) 、澜沧江上的小湾( 2 9 2 m ) 、雅砻江上的 锦屏一级( 3 0 5 m ) 、黄河上游的拉西瓦( 2 5 0 m ) 、乌江上的构皮滩( 2 4 0 m ) ，大渡河 上的大岗山( 2 1 0 m ) 等。这些工程中不少大坝的高度或规模达到世界上的最高水平，并 且这些坝大多建于高烈度地震区，坝址地质条件复杂，设计地震加速度高，例如大岗山 大连理工大学硕士学位论文 拱坝设计地震加速度达到0 5 5 7 5 9 。在如此高烈度地震区进行高坝和超高大坝的建设， 大坝的抗震安全成为设计中需要解决的关键技术闯题之一。 1 2 论文研究的意义 在我国水能资源十分丰富的西南、西北等强震活动地区，正在或即将建设一批世界 级的高坝，其设计地震加速度峰值远远超过现有大坝设计地震加速度的水平，最大可达 到丽倍或以上，地震作用达到千万吨级的水平，坝体最大静、动拉应力可能达到或超过 混凝土的承载能力，极可能引起局部破坏进而可能影响到大坝安全，依靠传统经验与技 术无法满足这些大型工程的实际要求。但迄今为止，世界上著名的混凝土高坝强震破坏 实例只有我国的新丰江大头坝、伊朗的s e f i dr u d 大头坝、印度的k o y n a 重力坝和美国 的p a c o i r n a 拱坝，直接因地震作用而渍坝的实例更是没有。因此，人们对强烈地震作用 下混凝土高坝的非线性动力反应、破坏过程、破坏机理和可能的破坏形式还知之甚少。 在缺乏实际混凝土高坝地震破坏监测资料的前提下，数值分析与结构动力模型试验成为 了解混凝土高坝非线性动力响应与地震破坏形态的重要手段。 地震动分析的最终目的是为了对大坝的安全性进行评价，同样需要解决大坝非线性 破坏演变过程、失效模式和安全评估等方面的问题。但是，由于理论分析中很多问题没 有很好的解决需要简化数学模型从而引起不确定性，包括边界条件、本构关系等等，使 得计算结果精度受到限制，即使对一些简单的大体积混凝土结构，对其在强震作用下发 生震害的部位、破坏形态以及破坏扩展范围等，由于边界条件、荷载条件、本构关系等 模拟不同，不同作者通过非线性分析得出的结果仍然千差万别。由于目前世界上大混凝 土坝经受强烈地震考验的实例屈指可数，因此，对于大体混凝土结构的地震破坏形式知 之甚少，不仅数值模型和分析方法的精度和可靠性无法得到准确评估，地震情况下的安 全评价问题至今也没有得到解决。 结构动力模型破坏试验是了解结构非线性动力响应与地震破坏形态的一种重要手 段，同时也是验证数值分析方法的一种方法。随着工程实践和数值分析技术的发展和要 求，对于考虑结构非线性破坏的试验要求也越来越迫切。但是在水工大体积混凝土结构 的地震动破坏试验方面，对于大比尺试验的模型材料的研制是十分困难的。由于是非线 性破坏试验，还需要考虑流周耦合的作用，试验不但要满足重力相似，还要同时满足 流体的密度比尺与结构的密度比尺相等。因此，对于大比尺混凝土坝动力模型破坏试验 的模型材料，要具有低强度、高密度的特点，并且要保证模型试验材料的物理力学特性 和普通混凝土具有相似性，振动台试验还要求原、模型材料的动态特性也必须相似。要 大岗山拱坝动力模型破坏试验研究 了解大体积混凝土结构的震害情况，验证数值分析可靠性必须对模型试验材料的物理力 学特性进行深入研究。 针对上述问题，本文依托于国家自然科学基金西部重大研究计划重点项目 ( 9 0 5 1 0 0 1 8 ) “西部强震区高拱坝抗震功能设计的若干基础理论研究”、采用仿真混凝 土材料在水下振动台上对大岗山拱坝整体坝、分缝坝进行了动力模型破坏试验，并利用 弹脆性损伤模型对混凝土拱坝坝在地震作用下损伤破坏的全过程进行了数值仿真，研究 混凝土拱坝的地震破坏机理、抗震薄弱环节以及影响因素，分析混凝土拱坝的地震破坏 路径和失效模式，为工程设计人员有针对性地采取工程措施进行拱坝抗震设计提供参 考，并为混凝士高坝的抗震功能设计的发展提供基础。 1 3混凝土坝动力模型破坏试验研究现状 研究大坝地震过程中动力反应的方法主要有：实际观测( 包括大坝地震反应记录) 、 测定大坝动态特性的原型试验、室内模型试验( 包括振动台试验) 和数值计算及理论分 析。现代计算机的发展，特别是与新的计算方法、技术相结合，使直接进行结构理论分 析的领域有相当的扩大；同样，测试仪器的革新和计算机的广泛应用也使试验领域为之 一新，大大提高了试验结果的可靠性和获得数据的范围，伴随着相似理论的发展和科学 技术的进步，混凝土坝的动力模型试验也获得了迅速发展。本小节主要论述近年来混凝 土坝室内动力模型破坏试验的研究进展。 1 3 1混凝土坝动力试验模型材科 模型材料的选取是试验中的关键问题，需要模拟的材料的物理力学特性主要有密 度、弹往模量、泊松比、阻尼比、各种强度和变形等等。根据相似原理，模型材料的物 理力学特性要满足相应的相似比尺，而材料的各种物理力学特性之间的关系是客观存在 的。因此如一种物理力学特性满足相似判据，另一种物理力学特性就不一定能满足相应 的判据。近几十年来国内外许多学者都对模型材料进行了大量的研究，取得较显著的研 究成果，对各类模型试验材料的物理力学特性有了明确的认识1 6 , 7 s 】。 混凝土坝动力模型试验所用的模型材料主要有硬橡胶、乳胶、软胶、石膏、水泥砂 浆和微粒混凝土材料【9 】。模型材料的选择和所具备的实验手段、试验目的和采用的试验 方法有关，前三种材料制成的模型主要用于研究混凝土大坝的频率、振型及弹性阶段的 动力反应，软胶模型只能用振动台起振，用直接摄影法记录，所有极低弹性模量材料制 成的模型都有和软胶模型相似的特点。后四种材料可以用激振器、振动台起振，能够进 行线弹性模型试验也能够进行动力破坏试验。在上述材料中以石膏类材料用得最普遍。 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 硬橡胶材料：橡胶类材料的泊松比约为0 3 5 o 4 5 ，加入水泥和石膏后可降低 到0 2 5 左右，比混凝土稍高一些。静弹性模量较低可在几百到几千兆帕内变化。临界阻 尼比约为5 8 。橡胶类材料弹性模量变化范围较大，可用于大缩尺模型试验，并且 还具有良好的防水性，可制作挡水模型，用于研究坝体库水动力相互作用。缺陷是温 度稳定性差，有较强的非线性特性，不适用于破坏性试验。 ( 2 ) 软胶类材料：这类材料弹性模量较低，泊松比较大，难以用于振动台试验， 因此现在己较少采用该种材料制作模型。 大连理工大学在7 0 年代曾采用软胶模型进行重力坝和拱坝的动力模型试验【1 0 , 1 1 , 1 2 。 倪汉根等【1 3 14 】对软胶模型、石膏模型进行动力试验，并和原型脉动观测和有限元动力计 算结果进行了比较，无论频率、振型还是地震应力，大体上都是一致的，模型材料泊松 比对坝体频率和振型的影响可以忽略。河海大学早期常用乳胶为胶结材料制作模型，夏 颂佑等【l s 】较深入地比较了加重乳胶与脆性材料的静、动态特性。江泉、杜成斌等 1 6 1 1 9 9 8 年采用低弹性模量的加重乳胶作为模型材料，用小结构模型试验方法研究了带缝拱坝的 动力特性和动力响应。 上述两类模型材料不能模拟原型结构破坏阶段的形态，只能用以确定结构的动力弹 性反应或研究结构的频率、振型等动力特性，因此这类材料的用途十分有限，国外混凝 土坝动力模型试验中很少采用该类型的材料。 ( 3 ) 石膏模型材料：石膏材料用作模型试验已经有很长的历史，应用较为广泛。 它的性质和混凝土比较接近，均属于脆性材料，弹性模量约为1 0 0 0 5 0 0 0 m p a ，泊松比 为0 2 左右，且性能稳定，成型方便，易于加工，适宜制作线弹性模型，也经常用于研 究混凝土坝的动力破坏形态。石膏虽是良好的脆性材料，但其应力应变曲线与混凝土 应力应变曲线除弹性段外，其余的相似性不太吻合。因此在做应力结构模型试验如重 点进行破坏试验时，宜采用石膏作为基本材料，在石膏浆中掺入不同外加材料来改善石 膏混合料的力学特性和变形特性。外加料一般为硅藻土、矽藻土、粉煤灰、铅粉和各种 岩粉等，也可以采用颗粒状的，如浮石、砂、水泥等。 国内外众多学者采用不同, b j n 剂和配比来制作模型，并对其力学性质作了详细的研 究。1 9 3 0 年美国垦务局用石膏硅藻土制作了当时世界上最高的b o u l d e r d a m 的结构模型， 并进行较完整的试验【堋。r a p h a e l 、a t _ e v e x t o 等【18 ，1 9 蠕石膏和硅藻土的混合材料用于大坝 试验，石膏主要提供强度，硅藻土主要用来保持石膏中的含水量，他们发现石膏和硅藻 土的混合物具有和混凝土一样的泊松比，同时强度还很低可以满足大坝试验材料的要 求。 大岗山拱坝动力模型破坏试验研究 b a k h t i n 和d u m e n k o l 2 0 采用石膏、水、胶粉、铅粉、矿物油制作模型。胶粉和铅粉 用来调节密度，矿物油用来固定铅粉、降低材料的弹性模量和抗拉强度，在振动台上进 行动力模型试验。l y a t l d l e r 等1 1 2 1 l 采用石膏、胶粉、膨润土和铅粉等制作重力坝模型，进 行了离心机模型试验，研究t o k t o g u l 大坝破坏加速度峰值。n i w a 和c l o u g h l 2 2 悃石膏、 硅藻土、砂和铅粉制成一个拱坝和重力坝模型。p i e r r el 6 9 e r 等 2 3 2 4 , 2 5 均以石膏为基本材 料来制作大坝模型，进行动力模型试验。d o n l o nwp 和h a l ljf 闭采用石膏、砂、矽藻 土和铅粉等制作成模型对p i n ef l a t 重力坝进行了小比尺振动台模型试验，通过加压的方 法解决模型干燥过程中出现收缩裂缝问题。 在国内，早期也采用石膏来制作混凝土坝模型，并对其物理力学性质进行了深入研 究。张林等【2 1 通过对碾压混凝土试件与模型石膏材料试件进行了断裂试验，获得了两种 材料的断裂韧度及荷载与加载点位移全过程曲线。赵中级【2 町为了研究重力坝破坏机理和 探讨用断裂力学分析坝踵水平裂缝的初始扩展，进行了石膏块体断裂破坏试验，研究了 石膏材料的断裂韧度。6 0 年代初王庆寿等对石膏矽藻土的物理学性质作了比较详细的介 绍，测试了石膏矽藻土中缓凝剂的最佳掺入量、弹性模量及收缩性质。杜青、毕佳等1 2 9 1 研究了石膏用量、水的用量、缓凝剂对石膏相似材料强度的影响，并找到了符合脆性岩 体性能的石膏的优良配方。石膏与岩石的结构及破坏方式均类似，是一种较好的模型相 似材料。林忠和p 0 1 采用二水石膏为模型材料对某双曲拱坝进行了物理模型试验，研究了 静力荷载下的超载系数。 1 9 6 6 1 9 6 8 年水科院采用石膏混合料制作模型研究了猫跳河双拱坝的结构应力。 1 9 7 4 年采用石膏制作模型，研究枫树空腹重力坝7 号厂房坝段在自重及水荷载作用下坝 踵应力及厂房的边缘应力。张祥康等【3 l 】采用纯石膏制作坝体坝基。根据弹性动力相似条 件，研究了大坝动力特性。陈厚群等【3 2 】采用加重树脂和加重石膏分别制作了白山拱坝和 龙羊峡拱坝的模型。采用激振器激振研究了大坝的频率和振型，初步探索了重力拱坝抗 震性能方面一些带普遍性的问题。7 0 年代至8 0 年河海大学代通过对新安江、乌江渡、 安康等工程进行静力结构模型试验和对湖南镇、安康和石门等工程结构动态模型试验 【3 3 】，研究了石膏混合料的弹性模量随荷载、时间、温度、湿度等变化的情况。 ( 4 ) 水泥砂浆：水泥砂浆类的模型材料是以水泥为基本胶凝材料，外加颗粒状或 粉状材料，按适当比例配制而成。该类材料包括水泥浮石、水泥炉渣混合料以及水泥砂 浆等。国外多用水泥浮石混合料，水泥浮石作为模型材料是由意大利奥伯梯教授提出并 使用。由于这种材料具有多种优点，很快成为意大利贝加莫结构模型试验所( i s m e s ) 的主要模型材料。我国早期也曾使用过，但较多的还是采用水泥砂浆来制作结构模型。 大连理工大学硕士学位论文 这种模型材料的密度、泊松比都很容易与实际混凝土一致，但弹性模量总是比石膏模型 高，因此要求激振器有较大的激振力。 寓必宁【3 4 】年采用矾土水泥、铁粉、水、机油等按一定的配比研制合成脆性材料，在 振动台上研究了重力坝地震动水压力。配制成的材料性能稳定，物理力学性能在线弹性 和塑性段与混凝土材料比较相似。水科院1 9 6 0 年采用水泥浮石混合料制成盐锅峡水电 站的钢筋混凝土蜗壳进行了整体结构模型试验1 3 5 1 ，并对陈村重力拱坝结构破坏试验。 d a v i d 等 3 6 1 利用水泥、水、河沙、粗砂和粉煤灰组成混合材料，研究了k o y n a 大坝 的动力破坏特征。材料中掺入粉煤灰来主要是减小材料强度，试验结果表明，该材料开 裂特征比石膏要好一些。但也会出现收缩裂缝。 ( 5 ) 微粒混凝土材料：微粒混凝土是由胶凝材料水泥、水和人工配制的连续级配 骨料，按适当的比例配合拌制而成的混合物，经一定时间硬化而成的人造石材。以较大 粒径的砂砾( 2 5 5 m m ) 作为粗骨料代替普通混凝土中的碎石，以较小粒径的砂砾 ( 0 1 5 4 2 5 r a m ) 作为细骨料代替普通混凝土中的砂砾，微粒混凝士不同于砂浆，而和 普通混凝土一样，是一种由几级连续级配组成的混凝土。其级配结构与力学性能和普通 混凝土相似，是一种理想的模型试验材料即。 上世纪六十年代初，人们开始用微粒混凝土做结构模型实验，由于对材料的特性还 不甚了解，以微粒混凝土为模型材料的结构模型试验没有得到广泛应用。七十年代起， 美国、英国、意大利等国家对微粒混凝土作了进一步研究，通过大量试验对其力学特性 有了深入的了解。国内西安交通大学、同济大学、合肥工业大学等单位的研究人员对微 粒混凝土材料的特性进行过试验研究【3 蜘。而且许多单位使用微粒混凝土材料建造高层结 构模型进行动力模型分析，取得了一些成果。现在微粒混凝土试验不但有非预应力钢筋 的，也有预应力钢筋的，并用于弯、剪、粘结与滑移等方面基本构件的受力性能研究和 高层建筑、大型水坝、各类型的板壳、各种形式的桥梁等复杂结构的受力分析和设计中， 在钢筋混凝土结构的各个领域，都进行过微粒混凝土结构试验。 在水工结构模型试验方面，陈进、王光纶等【3 9 】采用微粒混凝土制作模型，研究了重 力坝深孔在各种荷载作用下的结构特性和破坏规律。杨政等【加】对微粒混凝土的受压应力 应变全曲线进行了试验研究，得到一系列应力应变曲线，发现微粒混凝土的应力应变曲 线与同标号普通混凝土的应力应变曲线相似。鞠杨等f 4 1 ，4 2 】介绍了微粒混凝土的配制技 术，并采用弯折和劈裂试验对微粒混凝土的受拉性能进行了研究，得出了微粒混凝土的 抗拉强度高于同标号的普通混凝土的结论，配筋可以延缓内部微裂缝的产生和扩展。提 高微粒混凝土的抗拉强度和极限拉应变。沈朝勇等【4 3 1 在微粒混凝土中加入陶粒、粉煤灰、 浮石等不同的骨料，研究不同骨料对微粒混凝土弹性模量变化的影响，发现随添加骨料 大岗山拱坝动力模型破坏试验研究 含量的增加，微粒混凝土的弹性模量里一定规律降低，其中浮石的效果最好。方诗圣、 胡成等【4 4 4 5 】研究了微粒混凝土棱柱、立方体试块的抗压、抗拉强度及应力应变曲线，采 用拉杆试验研究了模型钢筋与微粒混凝土的粘结性能。 ( 6 ) 其它模型材料；水科院经对大量混合材料配比的筛选和成型压力的调整，配 制出以硫酸钡、氧化铅及滑石粉为主的混合料，采用自然干燥粉状材料加压成型。采用 8 字模轴拉试验测试得到的材料抗拉强度为o 0 1 o ，0 15 m p a ，抗压和抗拉强度比可控制 在6 l o 倍。抗压破坏呈明显的交叉剪切破坏面。这些特性均与普通混凝土的相关特性 类似。因此，可以较好地模拟混凝土坝的基本特征，并采用该模型材料进行了一系列的混 凝土坝动力模型试验1 4 6 , 4 7 艚】。 大连理工大学经过多年的试验工作经验的累积，采用重晶石砂、重晶石粉、矿石粉、 水泥及外加剂等材料配制成一种低强度的混凝土仿真材料【4 9 】，由立方体试件得到的仿真 混凝土极限抗压强度一般在0 6 m p a 0 8 m p a 之间，试块的抗压试验应力应变关系以及 破坏形式和混凝土较相似。由单轴轴拉加载方式测得的仿真混凝士的极限抗拉强度约为 3 0 k p a 3 5 k p a ，典型的抗拉试验应力应变曲线基本上呈线性关系，与原型混凝土具有 相似的力学特性【5 0 】。 清华大学盛志刚等 5 l 】采用与坝体混凝土本构关系相似的脆性材料重晶石膨润土混 合料制作拱坝模型，材料的抗压强度3 0 m p a ，抗拉强度0 0 9 m p a ，密度2 4 0 0 k g m 3 ，泊 松比0 3 ，动弹性模量1 1 5 0 m p a 。 河海大学宫必宁 5 2 1 9 9 7 年采用矾土水泥、铁粉、水、机油等按一定的配比研制合 成一种脆性脆性材料，该材料性能稳定，在线弹性和塑性段物理力学性能与混凝土材料 相似。 1 3 2 模型试验相似理论的发展 模型试验的相似理论是主要包括模型的设计理论、模型试验技术以及用模型推算原 型性能中的一系列理论与实践问题。相似理论主要由相似三定理组成，随着社会生产需 要、有关学科理论及试验技术的发展，相似理论本身经历了一个逐步发展和完善的过程。 已有很多学者对经典相似理论做出研究，总结了确定相似关系的方程分析法和量纲分析 法等一些有意义的结论1 5 3 , 5 4 。 早在1 6 8 6 年，n e w t o n 的著作中就已经有关于相似现象学说的阐述，提出了两个力 学系统相似的的n e w t o n 准则。1 8 4 8 年，法国科学家b e r t r a n d 以力学方程的分析为基础， 首次确定了相似现象的本质，并提出了相似第一定理，极大的推动了结构模型试验的发 展。1 9 1 i 1 9 1 4 年间，由俄国的m e 肥p m 嬲和美国的e b o c k i n g h a m 先后导出了相似第 二定理。1 9 2 5 年爱林费斯阿法那塞弗以最为宽松的条件证明了相似第一、第二定理的 大连理工大学硕士学位论文 正确性。1 9 3 0 年，前苏联基尔皮契夫和古赫曼提出了相似第三定理，回答了如何判别两 现象相似的问题。至此相似理论形成了较完整的理论体系1 5 以。 国内专家学者对相似问题在5 0 年代就开始了理论研究，林皋院士1 9 5 8 年发表了对 模型试验的模拟与相似闯题进行分析研究的成果【5 6 1 给出结构动力模型试验三种基本的 相似换算关系：弹性相似律、重力相似律和弹性重力相似律以及各换算关系的适用条 件。随后的几十年中，周美立、左东启、徐挺、吕西林等对模型相似问题进行了系统的 研究。 吕西林、陈跃庆等 5 7 , 5 鼬9 1 对固定在振动台上的结构模型的动力相似理论进行了一系 列的研究和探索，详细研究了结构地基相互作用体系的动力相似关系，发展了结构动 力模型试验技术。黄维平等通过房屋模型的振动台试验，提出了不完全模拟的人工质 量模型应满足的相似条件及如何根据模型试验结果估算原型结构的抗震性能。 由于材料的本构模型和本构参数等许多问题还没有很好地得到解决，不同作者通过 非线性分析得出的结果千差万别，结构动力模型试验与破坏试验仍然是了解结构非线形 动力响应与地震破坏形态的一种重要手段。由于影响结构动力破坏的因素很多，保持模 型与原型间的相似性比较困难，许多学者在非线性相似关系研究上作了很多努力。 卢文生【6 1 l 建立了失真模型的修正准则，着重分析了尺寸效应、应变速率效应、材料 非线性不相似及重力失真效应对相似关系的影响。提出了相应的修正公式，并应用于三 个缩比不同的振动台模型中，结果较为理想。简要分析了粘结滑移、裂缝开展等微观 性能对试验结果的影响。黄维平等【吼分析了动力方程法和参数的量纲分析法的关系，推 导了不同配重条件下模型与原型的动力相似关系。提出在结构进入弹塑性阶段后，假定 弹塑性刚度比与弹性网l 度比相同，通过保证原型与模型具有相同的应力状态，来推导原 型结构的加速度，以评价结构的抗震性能。 张敏政等【6 3 】根据b o c k i n g h a m 万定理推导了考虑建筑物活荷载和非结构构件质量效 应的地震模拟试验相似关系，建立了地震模拟试验中的一致相似律。在2 0 0 3 年就动力 相似率在小比例模型试验中的应用作了分析，着重探讨了非线弹性反应的模拟问题1 6 4 1 。 仿照数值模拟中等效线性化的方法，提出了简化的近似处理方法，可依据材料的非线性 性质，区别结构反应不同的变形阶段，使用不同的相似关系。 林皋等【6 5 】通过多年模型试验的实践与体会，提出了结构动力模型试验与动力模型破 坏试验中保持与原型相似的三种基本要求与处理技巧，根据结构动力特性、弹性振动响 应与破坏形态等试验目的不同，相似要求也有所差别，应根据不同的试验目的采用不同 的相似换算关系，如果相似关系处理得当，可以通过动力模型破坏试验加强对结构动力 特性和破坏形态的认识。 大岗山拱坝动力模型破坏试验研究 对于混凝土大坝而言，坝体在强震作用下变形不大，混凝土在地震作用下主要呈脆 性拉裂破坏。曹增延、祁建华脚，6 7 邸l 羊细研究了结构振动及破坏试验中材料动力性能相 似问题。认为可以只计入开裂阶段的材料非线性影响而忽略几何非线性影响。模型材料 同时满足弹性应力及破坏试验的要求，可采用第二强度理论作为判断材料破坏的依据。 陈建叶、胡成秋等嗍以沙牌碾压混凝土拱坝的模型试验为例，运用断裂力学理论， 推导出了模型破坏试验中诱导缝模拟的相似条件，得出了在碾压混凝土拱坝破坏试验 中，原型与模型拱坝要满足常规结构模型试验的相似关系，同时诱导缝模拟还要满足诱 导缝开裂相似条件以及诱导缝抗剪断强度相似条件的结论。d o n l o n 等【7 0 1 通过量纲分析 得出应力强度因子k ，的比尺为c a = 口”，对于模型材料应力强度因子要比原型材料有 较大的降低，断裂韧性k ，的不相似可能引起裂缝扩展情况的不相似。 林皋等f 7 1 ，7 2 通过在动力模型破坏试验结果中考虑几种重要的影响参数，引入相应的 比例系数，考虑了原、模型材料的抗拉强度，使模型动力破坏试验的结果可直接定量地 换算到原型上，从而在大坝的抗震安全性评估方面作了新的探索，并提高了从动力模型 破坏试验结构来评估大坝抗震安全的准确性。 1 3 3 模型试验的发展 水工结构模型及试验的发展大体经历了三个阶段【7 3 1 ，即创立阶段、推广阶段、深入 发展阶段。 创立阶段是指本世纪初到本世纪4 0 年代中期。这一期间，由于水坝、水电站的建 设和发展以及人们对水工物理模型认识的发展和相似理论的建立和完善，结构模型开始 在工程设计中得到应用。这期间人们研