混凝土重力坝结构模型试验指导 2013

1、水工建筑物结构模型教学实验重力坝断面结构模型试验李桂荣2013-3-22混凝土重力坝断面结构模型试验1. 模型试验的原理模型试验的理论基础就是相似原理。我们研究的对象主要是水利和土建工程中的混凝土建筑物及地基。需要通过模型模拟的主要有荷载的类型及大小，建筑物的几何形状和材料的物理力学性能。为了使模型上产生的物理现象与原型相 似，模型材料、模型形状和荷载等必须遵循一定的规律，这个规律就是相似原理。水工结构模型试验要解决的问题，是将原型水工建筑物上的力学现象缩小到 模型上，从模型上模拟出与原型相似的力学现象中，量测应力、位移和安全度等，再通过一定的相似关系推算到原型建筑物。模型试验如果能正确地解决

2、模拟问 题，同时又采用了精确的量测方法，则其所得成果就可能较好地反映原型的实际 情况。2. 试验任务对所取坝段的断面结构模型进行一次应力试验，提供大坝在上游正常蓄水位 作用下的坝基面上应力的分布和坝体位移变化情况的试验成果。3原型的基本资料：坝型为混凝土实体重力坝，坝高为81m，坝顶宽12m，坝底宽60m,下游坝 坡1:0.75。坝体混凝土弹性模量Ei=19200Mpa,坝基岩体弹性模量E2=19200Mpa, E3=11600Mpa,基岩材料分布图4-1。混凝土与基岩材料的泊松比均为 卩1=卩2=0.2， 坝体混凝土容重r =24KN/m3,上游正常蓄水位78m。4.模型设计 4.1相似常数

3、根据线弹性模型的相似要求结合本次试验，原型（P）与模型（M）各物理量之间保持下列相似关系：几何比尺:Cl=Lp/Lm=1009弹性模量比尺：Ce=Ep/Em =6谷重比尺：Cy = y p/ 丫 m= C a/ Cl应变比尺：C= p/ m = 1应力比尺：Cff = a p/ a m=6位移比尺：Cb = S p/ S m = 100泊松比比尺： Cg =卩P卩m = 14.2相似模型本次试验的模型材料采用石膏材料，模型是根据相似要求将石膏粉和水按照 不同的比例浇注成块体，经过烘干、加工、制作而成。模型的具体尺寸和材料分 区见图4-1。图4-1相似模型1-坝体；2-基础；3-基础材料分界线基

4、础模拟的范围上游重力坝断面模型基础模拟范围的基本原则是：上游坝基长度不小于1.3倍坝底宽度或1.0倍坝高；下游坝基长度不小于2.0倍坝底宽度或1.5倍坝 高；坝基深度不小于1.5倍坝底宽度或1.0倍坝高。在有特殊地质构造时，边界 范围还要适当增加。上游基础长度下游基础长度基础深度模型（cm）83.00158.0083.00原型（m）83.00158.0083.004.3模型荷载（原型坝段取10m）垂直荷载：垂直荷载为坝体自重和坝基扬压力的叠加。坝体自重荷载计算简图见图4-2按图示分块计算图4-2坝体自重荷载计算简图（单位；cm）说明：1、图中虚线表示坝体自重分块的分界线坝基扬压力：扬压力计算按

5、有帷幕，无排水 =0.5 ）情况考虑，按图4-3 所示分块计算各分块ISOiso图4-3 坝基扬压力计算简图（单位;cm）说明：1、图中虚线表示扬压力分块的分界线上游静水压力：首先计算大坝在正常蓄水位情况下的模型所要施加的上游总水压力，然后再按式（4-1）计算出油泵压力表读数p表（MPa）。式中：p为模型所要施加的上游总水压力（4-1）KN），p表油泵压力表读数。A为油压千斤顶活塞的面积（5.75cm2）4.4荷载计算 7. 1原型荷载(坝段长B=10米) 坝体自重：1、81*12*10*24=233280KN2、(64+40) *18/2*10*24=224640 KN3、(40+20) *

6、15/2*10*24=108000 KN4、1/2*15*20*10*24=36000 KN上游水压力：1/2*10*78*78*10=304200KN坝基扬压力：1、 (6*39) *1/2+(39*6)+ (22+39) *6/2 10*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.试验装置及设备图5-1 重力坝断面结构模型图5-2模型的应变和位移测点布置图（单位;cm）本次试验所用的主要仪器、设备有：电阻应变计、UCAM

7、-20PC应变量测系统、Centipede位移量测系统、DH3816应变量测系统、位移传感器、拉力传感器、 油压千斤顶、油泵、标准压力表等。应力是通过粘贴于模型上的电阻应变片在荷载作用下由UCAM-20PC应变量测系统测得应变值经计算获得。位移是通过装置于模型上的位移传感器在荷载作用下由Cen tipede位移量测系统所示数值经换算获得。模型的垂直荷载按4个分块施加相应的集中力，每块荷载大小是由拉力传感 器和与其连接的DH3818应变量测系统来控制。上游坝面水压力用五个相同大小（活塞面积 A=5.75cm 2）的油压千斤顶通过 油泵施加相应荷载，并通过各块刚性垫块使其转换为近似的分布荷载。6.

8、 应力实验中的电测原理电阻应变测量技术可用于测定构件的表面应变，根据应力与应变之间关系， 确定构件的应力状态。6.1电阻应变计（1）电阻应变计的构造图6-1电阻应变计的构造示意图（2）电阻应变计的工作原理金属电阻应变计的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生电阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。取应变计、敏感栅上取一 直线段来研究应变计的应变与电阻之间的关系。设此线段的长度为L ;截面 积为A ;电阻率为，。则金属导体的电阻值可用下式表示：R丄（6-1）A将上式取对数后再微分，即可得电阻变化与其它诸量变化的关系式:dRd-dA(6-2)若此线段处于单向受力状态时，由于泊松（金属丝的

9、泊松比为J）效应则;dA 二 _2dLA - L(6-3)式中 一丄L 即应变将（6-3）代人（6-2）得;dRR dJR1 2JKod-1 - 2 JdRRK。；金属丝的应变与单位电阻变化成正比,（6-4）（6-5）其比例系数Ko称为金属丝的灵敏系数。应变计的灵敏系数还与敏感栅材料性能、加工工艺及所使用的粘结剂等因素有关，因此其灵敏系数均由实验标定给出所以（6-5）应表示为(6-6)6.2静态应变量测系统电阻应变仪一般是用电桥将应变片的电阻变化转换为电压或电流的变化。以DH3816应变测试系统为例。该系统由数据采集箱、微型计算机及支持软件组成。 可自动、准确、可靠、快速测量大型结构、模型及材

10、料应力试验中多点的静态应 变应力值。若配接适当的应变式传感器，也可对多点静态的力、压力、扭矩、位 移、温度等物理量进行测量。测量原理：以1/4桥、120Q桥臂电阻为例对测量原理加以说明。如图6-2所示。图6-2 测量原理图中：Rg为测量片电阻,R为固定电阻,K f为低漂移差动放大器增益因V =0.25EgK ;即 V。二 KFVj =0.25KFEgK :所以4VEg KKf式中：Vi-直流电桥的输出电压（卩V）；Eg -桥压（V）；K-应变计灵敏度系数；-输入应变量（1 ）；Vo-低漂移仪表放大器的输出电压（1 V）；Kf-放大器的增益。当 Eg=2V K=2 时 ；=也 Kf对于1/2桥电

11、路2Vo-EgKKF对于全桥电路EgKKF这样，测量结果由软件加以修正即可7. 试验步骤（1）提前预习试验指导书，根据相似关系计算施加于模型上的荷载大小（垂直 荷载及水压力）。（2）打开电源对各种仪器作测试前检查及准备工作。（3）量测应变和位移的初始读数。（4）开始逐级均匀地施加垂直荷载直至设计荷载值。（5） 垂直荷载加完以后，再缓慢施加水压力达到设计荷载值。（千斤顶的活塞 面积为 A=5.75cm 绘制断面应力分布图及上游坝面的结构位移图。 根据试验结果，评价结构在正常蓄水位情况下的工作状态。 编写完整的试验报告。试验报告应该包括：试验任务、原型基本资料、模 型相似设计、原始试验数据、成果整理和分析等内容。）。（6）等变形基本稳定后，开始读各点位移及应变值。（7）测量完毕，先卸水荷载，后卸