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1、第一篇 水工结构模型试验第一章 概述第一节 目的及意义（1）确定结构与荷载相应关系的主要方法 以数学力学为基础理论分析或数值分析方法。 物理模型试验方法。 安全监测方法。（2）数值计算、模型试验和安全监测的关系 大型水工建筑物模型制作不易，有些因素模拟困难，不能作过程仿 真分析，数学模型则易模拟计算； 数学模型能突出构成建筑物本质特征的因素，便于分析了解建筑物 的性能； 数学模型很容易变动有关因素条件进行敏感性分析，而模型试验的 话不容易做到； 对某些建筑物其结构和边界条件都比较复杂，数学模型不可能对其 模拟或确定，而模型试验能够模拟建筑物及其地基的实际工作状态，可以 同时考思多种因素及复杂的
2、边界条件，且能给人以直观的结果和深刻的印 象； 计算计算结果受方法、参数及边界条件确定的影响而与实际有差异 ，模型因是原型的缩小，制作过程中还做了相应的简化，其结果与原型也 有差别，安全监测则是通过监测设施直接在原型上观测得到的结构效应量 ，但限于现有监测技术，有的效应量不易观测，其成果与实际仍有出入； 模型试验和安全监测皆要用到测试技术来获得各种荷载下建筑物的 结构反应情况； 三者揭示的规律一致，但量值有异。（3）水工结构模型试验是物理模型试验方法。将原型以某一比例关系缩小成为模型;向模型施加与原型相关的荷载;记录在荷载作用下模型上反映出来的各种物理 现象并测量相应的效应量； 通过一定的相似
3、关系推算出原型建筑物在强 度、刚度、稳定性等情况。 （4）进行水工结构模型试验的目的和意义 验证设计理论。 水工结构比较复杂，尤其边界条件难以模拟，理论计算很难得到精 确解；安全监测反映的情况一般是施工及运行过程中所遇到的情况，有局 限性；物理模型又可能从各个方面较全面地模拟原型，相应的成果可作为 计算成果校核和补充。 预测水工建筑物完建后的运行情况以及抵御事故的能力。 通过物理模拟的实验研究揭示原型在运行过程中可能出现的一些重 要物理现象以及遭遇意外情况下的破坏过程，以便在设计中采取相应对策 。 探索新理论、新材料、新技术、新工艺。 （5）模型试验的特点及需求 模拟理论伴随数学力学分析理论的
4、发展而发展1960年以前，常用模型试验研究大型结构特性(静力或动力)并与理论 相比较，在今天，虽然一部分问题可以通过计算机模拟来代替模型试验， 但为了解决较为复杂的和有时是结构特殊性的基本问题，不仅在土木工程 领域，而且在机械、化学和核工程领域内，还用物理模型进行试验，所以 依旧需要发展物理模型试验。 模拟手段受当前技术水平限制在某些方面模拟手段还难以实现模拟理论的要求，具体模拟时只能 保证主要的或略次要的。 模型试验较理论分析耗时、耗财、耗人力，且不易修改试验参数 模型试验取材、制作、试验方法等各环节须把握好模型材料的选取、制作、加载、测试、试验资料整理分析等每一个 环节都要把握好。第二节
5、发展历史 一、水工模型的发展阶段 1、初创阶段 时间：20世纪初 20世纪40年代； 模型材料：橡皮（用做重力坝断面模型）赛璐珞（用做拱坝模型）石膏硅藻土（做拱坝模型） 测试手段：机械式引伸计电阻应变片 试验对象：重力坝、拱坝 2、推广发展阶段 时间：20世纪60年代； 背景：高坝建设迅速发展，许多实际工程设计问题需解决 特点：结构模型试验数量增多；开展研究的国家增多；有关模型试验的学术交流增多；试验技术有了发展，出现了地质力学模型。 模型比例：以意大利为代表的大比例尺模型，1:201:80； 以葡萄牙为代表的小比例尺模型，1:2001:500； 试验对象：重力坝、拱坝 3、深入阶段 时间：2
6、0世纪70年代后； 特点：地质力学模型的应用扩大了结构模型试验领域；（可研究坝体与坝基的联合作用、重力坝的 坝基抗滑稳定、拱坝的坝肩稳定、地下洞室围岩稳定等问题） 计算力学的发展又使得大多工程结构应力分析可在计算机上进行； 结构模型试验转向解决一些重大和复杂的问题。 对象：坝、坝与基础、地下洞室等， 二、我国水工结构模型试验的发展概况 20世纪50年代开始；广东流溪河拱坝是我国第一个结构模型试验 例子。（当时主要是线弹性应力模型，针对坝体应力、孔口应力和蜗壳应力等研究） 20世纪60年代初开始在模型中模拟坝基地质构造，并进行拱坝和 宽缝重力坝的结构模型破坏试验； 20世纪70年代中期进行坝体表
7、面和坝基内部应变的测量工作； 20世纪70年代后期开始进行地质力学模型材料的试验研究，并进 行平面的地质力学模型试验。 20世纪80年代开始进行高拱坝的半整体和整体地质力学模型试验 。 随着计算机技术的发展，很多原本需要用物理模型试验才能模拟的 问题逐渐为计算机模拟取代，但对于破坏性问题纯碎用数学方法模 拟还不能满足实际的要求，要采用地质力学模型试验方法来研究， 目前国内外大量的水工建筑物进行地质力学模型试验。第三节 模型试验研究内容及分类一、研究内容当前结构模型试验研究的内容主要有: （1）大型水工建筑物的整体应力及变形问题。（2）结构物之间的联合工作问题。（3）地下结构的应力与稳定问题。（
8、4）水工结构的动力特性问题。（5）大坝安全度及破坏机理问题。（6）探索新概念、新理论、新材料、新工艺、新技 术等。二、模型试验的分类1、按建筑物的模拟范围和受力状态分类（1）整体结构模型试验。空间力系下，研究三维应力场和空间稳定问题的整体模型试验（拱坝的整体结构模型试验等 ）（2）平面结构模型试验。 平面力系下，研究结构断面（单位长度）强度和稳定问题的模型试验。（平面应力模型与平面应变模型两种）。 （3）半整体结构模型试验。研究实质上属于空间问题但又不完全等同于整体结构问题的试验。（宽缝重力坝的一个坝段,重力坝的几个坝段以及拱坝的一岸坝肩等结构的应力和稳定分析 ）2、按作用荷载特性分类（l）静
9、力结构模型试验。（研究水工建筑物在静荷载下的应力、变形及稳定问题的整体或断面模型试验） 在线弹性范围内进行时称为应力模型试验； 在超出弹性范围研究失稳过程和破坏机理时称为破坏试验。有强度破坏试验和稳定破坏试验。（2）动力结构模型试验。(在动荷载下研究水工建筑物的结构动力特性如频率、振型等和动力反应如动应力和位移等的模型试验。 ) 3、按结构试验的目的分类 （1）线弹性结构应力模型；（2）破坏试验模型；（3）仿真试验模型。4、按模型的材料分类： （1）由光弹性材料构成的模型（光弹性结构模型和离 心模型） （2）由脆性材料构成的模型（石膏模型、地质力学模 型、离心模型） （3）由原型材料构成的模型
10、有仿真模型。第二章 水工结构模型试验相似性原理 第一节 相似性概念相似性:为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，这个规律就是相似性。 荷载模拟：加载技术。（水压力、自重、泥沙压力、渗透压力、温度变化、地震等；施工工序）材料模拟：物理力学性能有比重、容重、泊松比、弹性模量、摩擦系 数等模拟；热力学性能线胀系数、导温系数、导热系数、热交换系数 等模拟。模型材料和原型材料的应力应变关系在整个极限荷载范围内 都必须满足相似要求。（问题：直接用原材料来做模型可以吗？）几何相似：结构形状和尺寸相似。 模型试验必须遵守的相似条件: 进行试验的模型，不仅要几何形状
11、相似，而且在模型试验过程中所包括的 各项物理量或主要的物理量应与原型相似。 在实际工作中，同时都能满足所有参数的相似要求是不可能的。通常的做 法是保证满足主要参数的相似要求，放宽或近似满足次要参数的相似要求 。 一、试验目的 结构的线弹性应力模型试验简称为线弹性模型 试验。 目的：研究水工混凝土建筑物在正常或非破坏的 工作条件下的结构性态,即研究在正常或特殊设 计荷载作用下,建筑物的应力和变形状态。第二节 线弹性力学模型及相似判据线弹性模型试验分为： 整体模型、半整体模型和平面模型三种类型。整体模型：多用于研究空间结构,如拱坝、连拱坝 等； 半整体模型：用于研究独立坝段或局部结构,如大 头坝等
12、； 平面模型： 则用于研究重力坝、空腹重力坝等平 面问题。 二、相似判据 对于承受静力荷载作用的线弹性体,可从弹性力 学的基本方程求出相似判据。由弹性力学可知, 模型内所有点均应满足以下方程：平衡方程：相容方程：几何方程：应力边界条件： 由于模型材料为线弹性体，所以它应像原型一 样服从虎克定律。原型和模型之间相同的物理量之比叫做相似常 数，各相似常数如下： 几何相似常数：Cl=Lp/Lm 应力相似常数：C=p/m 应变相似常数：C=p/m 位移相似常数：C=p/m 弹性模量相似常数：CE=Ep/Em 波桑比相似常数：C=p/m 材料容重相似常数：C=p/m 边界应力相似常数： 体积力相似常数：
13、CX=Xp/Xm 材料密度相似常数：C=p/m根据相似原理推导线弹性模型的相似判据，例 如由平衡方程式可导出：对于模型有：对于原型有： 根据相似常数的关系有：将相似常数的关系式带入原型的平衡方程式得 ：根据模型与原型相似，则两者应有相同的关系 方程式，于是可得出满足平衡方程的相似准则 ：由平衡方程得：由几何方程得： 由物理方程得： 由边界条件得： 第三节 破坏试验及地质力学模型的相似判据 一、破坏试验模型的相似判据 目的：为了解工程结构所具有的安全度,并预示该结构可能 出现的破坏机理,或者为了对己失事的工程进行事故分析 ,往往需要对模型进行破坏试验。在破坏试验中的结构内部应力状态：有的处于弹性
14、工作阶段,有的己处于塑性工作阶段,有 的则达到或超过强度极限而开始破裂。破坏试验要求：不仅要求在弹性阶段模型的应 力和变形与原型相似,同时要求在超出弹性阶段 直至破坏全过程中模型与原型在应力、变形、 强度几方面都要满足相似,即要求模型材料的应 力一应变曲线,强度包络线与原型材料的相应曲 线完全相似,习惯上称为全相似。破坏试验模型所遵循的相似准则参见以下公式 。 二、地质力学模型的相似判据地质力学模型把结构物和地基看成一个整体, 主要任 务是研究其整体平衡。在上述整体中地基往往是薄弱环节,不仅大地构造 、断层和其中一些软弱充填物破坏了地基的整体性,遍布 岩体的节理、裂隙对岩体的削弱作用也不容忽视
15、。水工建筑物地基的稳定性和变形性能日益受到重 视。地基稳定性的研究实质上就是模型的破坏试验。 所以地质力学模型的相似判据与结构模型的破坏试验相 同。 在地质力学模型试验中，岩体自重起着重要作用。在进行地基的稳定性试验时,不能用内部锚固的方 法模拟自重，因为加载杆会使可能的滑动面受到约束。地质力学模型应尽可能选用C或Cl的模型材料 ，用带有被模拟的节理和裂隙的块体砌成。但增加模型 材料的容重m是有一定限度的，目前采用最大的m 39kN/m3左右。 第三章 水工结构模型试验基本技术第一节 模型设计 模型设计前需：（1）明确试验目的。根据试验目的，分清主次,模拟其主要的，忽 略简化其次耍的,从而勾划出模拟的简化方案。 （2）判定模拟材料的性质。因为不同性质的物质其应力传播、变 形特性以及破坏机理不同。 模型设计的主要内容就是要解决：（1）用什么材料做模型，确定弹性模量相似常数CE；（2）模型该做多大，确定几何尺寸相似常数CL；（3）在模型上该加多大荷载，确定重力密度相似常数C。（4）使CE、CL、C能够满足相似判据公式的值可能有很多组,这 就要根据原型资料及试验条件的具体情况，分析确定或设计若干组 方案比较确定。相似常数的确定是一个综合分析的过程,它与很多因 素有关。复杂坝基模拟要求相似材料有较宽的力学指标范围：先确定弹模相似常数CE；安装量测设备而要求模型具
