水工结构模型试验

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1、第一篇 水工结构模型 试验授课人：授课人： 李民李民 水工结构模型试验水工结构模型试验第一节第一节 目的及意义目的及意义 （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

2、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

3、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）进行水工结构模型试验的目的和意义 验证设计理论。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；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；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

4、补充。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。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。策。 探索新理论、新材料、新技术、新工艺。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）模型试验的特点及需求 模拟理论伴随数学力学分析理论的发展而发展模拟理论伴随数学力学分析理论的发展而发展 1960年以前

5、，常用模型试验研究大型结构特性年以前，常用模型试验研究大型结构特性(静力或动力静力或动力)并与理并与理论相比较，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。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模拟手段受当前技术水平限制 在

6、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。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。环节都要把握好。水工结构模型试验一、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

7、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：20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

8、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

9、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。水工结构模型试验水工结构模型试验 一、研究内容一、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。（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

10、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

11、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有仿真模型。水工结构模型试验水工结构模型试验 第一节第一节 相似性概念相似性概念 相似性相似性: :为使模型上产生的物理现

12、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：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：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：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，不仅要几何形状相似，而且在模型试验过程中所包括的各项物理量

13、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。 水工结构模型试验水工结构模型试验一、试验目的一、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：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。第二节第二节 线弹性力学模型及相似判据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：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：半整体模型：用于研

14、究独立坝段或局部结构,如大头坝等；平面模型：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

15、 边界应力相似常数：体积力相似常数：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：对于模型有：对于原型有：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： 水工结构模型试验水工结构模型试验一、破坏试验模型的相似判据一、破坏试验模型的相似判据目的：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

16、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：在破坏试验中的结构内部应力状态： 有的处于弹性工作阶段,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：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

17、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。 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m39kN/m3左右。 水工结构模型试验水工结构模型试

18、验第一节第一节 模型设计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相似常数的确

19、定是一个综合分析的过程,它与很多它与很多因素有关。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有一定的尺寸：先确定几何尺寸相似常数CL； 当荷载条件一定时（如地质力学模型，自重按体积力模拟,或者水压荷载应用水银）：先定C值或C值。 几何尺寸相似常数几何尺寸相似常数CL：标志模型的大小。：标志模型的大小。 由CL确定尺寸和工程量： 意大利属大比尺派，他们采用CL=2575； 葡萄牙属小比尺派，他们采用的CL =200500。 我国常用的比尺介于两者之间，即应力模型采用CL=100200, 破坏模型采用CL =300500。 C、CE

20、、CR、C：代表材料的一些物理力学性质的相似常：代表材料的一些物理力学性质的相似常数，确定了采用模型材料的种类。数，确定了采用模型材料的种类。 脆性材料(石膏、轻质混凝士等，其m0.170.24，与岩石及混凝士很接近，能较好地满足C=1的条件； CE 考虑到应变测量时粘贴的电阻片与模型材料之间的刚度匹配问题，一般应力模型的Em值取大于1000MPa; C可以不等于1，因为结构物变形前后对其应力状态影响很小； 用作破坏试验模型，在确定弹摸和强度相似常数CE、CR时，要求模型、原型材料的应力-应变关系曲线及强度包络线全相似。C和和C：结构材料的重度相似常数和外荷液压重度相似常数，根据相似：结构材料

21、的重度相似常数和外荷液压重度相似常数，根据相似关系，关系，CC。这两个常数确定模型荷载大小及加荷方式。这两个常数确定模型荷载大小及加荷方式。 当CL及CE 先确定时，C(或C)可从式CCE/CL推算出，然后按m=CL/CE确定模型材料或设计加荷方式； 如果加荷方法己定，例如自重用集中力，水压用水银，这时可根据CC13.6（g/cm）去推求CL 或CE ； 用集中力系模拟自重以及用千斤顶系统模拟水压时，C(或C)有较宽的变幅可供选择。若以体积力模拟自重，并以液压或气压模拟水压，C(或C)可供选择的变幅就较窄； 确定C(或C) 后算出模型上各种荷载的大小，再进行加荷设备的布置设计： 不同的加荷方式

22、适用于不同的试验目的，例如应力试验，由于外荷为定值，故常采用液压或气压模拟分布荷载；而对于破坏试验，外荷是变化的，故多用油压千斤顶方法。所以在确定C(或C)时应同时考虑到试验性质这一因素。水工结构模型试验水工结构模型试验2.1对模型材料的一般要求对模型材料的一般要求 选择模型材料除必须满足一定的相似要求外，还需考虑以下一些一般性要求： 1）材料的性质要稳定，包括它的均匀性以及时间效应。 2）材料的物理力学指标应有较大的变动幅度,即具有较宽的适用范围。 3）材料要易于成型,而且成型过程中干缩变形小,以利控制模型精度。 4）材料对于环境条件(例如温度、湿度等的影响不敏感,有利于试验成果的重复性。

23、5）材料要无毒、经济，而且货源充足。 2.2模拟水工建筑物及基岩的模型材料模拟水工建筑物及基岩的模型材料 （一）石膏类模型材料 优点：优点：与岩石及混凝土一样都属于脆性材料，模型与原型之间材料的泊桑比有较好的相似关系，有较好的弹性特性，是用作应力试验弹性模型较理想的材料； 石膏类材料表面光滑易于粘贴电阻片；制作加工容易，适应各种复杂的结构体型。 缺点：缺点：从半水石膏到二水石膏的实际需水量不到石膏粉重量的20%，大量水分须在石膏硬化后加以烘干，使的制模时间较长，试验周期也相应较长； 石膏类材料的拉压比与岩石和混凝土材料的拉压比相差较大，不能完全满足破坏试验的要求；石膏易受温湿度的影响，需要有防

24、潮及恒温措施。（二）轻质混凝土类模型材料（二）轻质混凝土类模型材料 这种材料以水泥为胶凝料，以浮石、石灰石粉，或矿渣（碎石）、砂子等为骨料，按适当比例加水配制而成。有时还掺加适量的膨润土、白垩和硅藻土以改善其性能。 弹性模量：弹性模量：约为200010000MPa；泊桑比：泊桑比：约为0.150.20；极限抗拉强度与极限抗压强度之比：极限抗拉强度与极限抗压强度之比：约为1/111/9。优点：优点：从二轴和三轴试验成果与国外一些混凝土材料的二轴、三轴试验成果相比，其强度包络线基本相似看，用轻质混凝土类轻质混凝土类材料作破坏试验，在满足相似要求上比石膏材料要优越。缺点：缺点：干缩应变比混凝土大好几

25、倍，易干裂，只适用于直接浇筑成型，不好加工；表面粗糙,不便于贴电阻片；材料制备、模型浇筑、养护等以及工作条件的要求比较复杂。(三三地质力学模型材料地质力学模型材料 这是在研究坝基稳定、地下结构、岸坡稳定等课题中，逐步发展起来的一种新的模型材料。 主要特点:可以模拟体积力，材料容重高、弹性(变形)模量和强度低。 地质力学模型材料由四部分成份组成： 加重料。例如重晶石粉(BaSO4)，氧化铅(PbO)，红丹(Pb3O4)、铁粉等； 掺合料。例如砂子、碎石等； 胶结料。例如石膏浆、甘油、液体石蜡、水泥和水等； 调和料。例如石灰石粉、膨润土、硅藻土等。 可以通过不同的配比组合，来改变模型材料的物理力学

26、指标值。 优点：优点：结构自重满足按体积力模拟要求，不会象采用集中力系模拟自重那样破坏自重应力场； 模型可由小块体砌成，便于模拟岩体结构； 目前多用于从事破坏试验研究。缺点：缺点：材料的弹性或变形模量过低，采用电测应力比较困难；用这类材料作模型工作量较大。2.3模拟地质构造带的模型材料模拟地质构造带的模型材料 (一)大宽度模型材料 对于像断层或破碎带等宽度较大的构造，目前采用的模型材料有橡皮板、硅胶、乳胶水泥石膏等，其变形模量有的可低达几十MPa。 (二小宽度模型材料 对于像节理、裂隙或某些小断层等宽度很小的构造，由于几何比尺关系，往往只按接触性质模拟，采用只模拟摩擦力或同时模拟摩擦力与凝聚力

27、的材料。从目前水平看,这类材料有4种： （1）纸片。纸类不同，糙度不同，模拟的系数不同。 （2）薄膜。模拟更小的摩擦系数 （3）涂料。对模型的地质构造表面进行涂层 ，可以只模拟摩擦力，也可以同时模拟摩擦力及凝聚力 （4）夹层模拟材料。二硫化钼 ；滑石粉、石灰石粉或凡士林等材，将夹层模拟材料的摩擦系数降到0.2以下。 2.4 模型块之间的粘结材料模型块之间的粘结材料（1）清漆类。（2）环氧类。（3）桃胶一石膏。（4）淀粉一石膏。2.5 模型材料物理、力学性能的测定模型材料物理、力学性能的测定 模型材料物理力学性能的测定，主要项目有模型材料物理力学性能的测定，主要项目有: 变形模量； 弹性模量；

28、泊桑比； 应力一应变关系曲线； 拉、压、剪极限强度。 有时还需作出材料的强度包络线。水工结构模型试验水工结构模型试验一、断面模型及半整体模型的制作一、断面模型及半整体模型的制作（一）（一） 模型材料预制块的制作模型材料预制块的制作 材料材料 ：石膏材料或石膏硅藻土混合材料 针对对象：针对对象：如带闸墩或宽缝的坝段模型等。 做预制块的目的：做预制块的目的：保证模型加工的精度 ； 缩短模型制作时间及试验周期。 预制块尺寸预制块尺寸：厚1020厘米，过大搬动不便且难于干燥； 预制块的长和宽根据情况设计。 预制块质量保证：预制块质量保证： 材料均匀（粉料混合均匀，利用硅藻土可防石膏颗粒沉淀但易吸潮，拌

29、合前需测定含水量以便在拌合用水中扣除。成品可用声波法检查均匀性。）； 立模平浇； 干燥处理（晒干或烘干。以预制块表面和内部实测绝缘度控制：绝缘电阻大于200M。）（二）模型加工（二）模型加工 加工过程加工过程 ：按照模型设计要求，将预制块制成一定厚度的矩形平板，然后再雕刻成型。 表面处理表面处理 ：刮刀由人工刮平 ；电动石膏平磨机将表面磨平 。 坝体与坝基为同种均质材料坝体与坝基为同种均质材料 ：用一块预制块制成模型 一起加工。 坝体与坝基不是同种均质材料坝体与坝基不是同种均质材料 ：分别制成模型块加工，最后再组装或粘合成完整的模型 （三）模型的组装和粘结（三）模型的组装和粘结 坝体及坝基连成

30、一体时：坝体及坝基连成一体时：可将模型直接粘结在模型加荷架基面上。 坝体及坝基分成数块时：坝体及坝基分成数块时：将坝体及坝基各块模型先进行试组装，符合精度要求后将坝基各块模型粘合成整体，并粘结在加荷架基面上，再将坝体粘结在坝基上。 二、整体模型的制作二、整体模型的制作（一）模型成型工艺1.坝体模型的成型工艺 坝体与坝基的力学性质相同时， 将坝体与坝基当作整体考虑，一次浇注成型。 坝基地质条件复杂时，将坝体连带一小部分坝基，单独浇注成型。 浇模后室温下干燥35日再送入烘干室干燥。 模型干燥后进行雕刻加工 。模型雕刻精度一般要求控制在1.0cm之内 。 模型加工完毕后，可用超声波仪或声波仪检查模型

31、内部质量的均匀性。2. 坝基部分模型加工 坝体与坝基为同一均质材料的小模型，坝体与坝基可一次浇成并雕刻成型 ；大模型则分别加工成型，然后拼装粘合成整体。 坝体与坝基 差别较大时分别加工成块体，并砌筑成模型坝基，然后在其上安放坝体模型 。 （二）模型的组装和粘结 整体模型雕刻好后运送到模型槽内固定即可； 坝体与坝基分别成型，在模型槽内组装和粘结； 坝体与坝基为同种均质材料但坝体内须设自重加荷拉杆时，这时可将坝体与坝基沿相应方向分成若干块分别加工成型，然后在模型槽内每两块之间埋入施加自重拉杆，并拼装粘结成整体模型 。 三、模型烘干技术三、模型烘干技术 在烘干室内烘干。 室内温度均匀并长期保持恒温，

32、室内温度控制在3540为宜。 有通风排湿措施。四、模型粘结技术四、模型粘结技术（一）模型粘结剂 模型粘结剂的作用，就是将石膏或其它脆性材料模型块体粘结成一个完整的模型。在弹性应力模型试验中对粘结剂的要求是：在弹性应力模型试验中对粘结剂的要求是： 具有一定的粘结强度； 弹性模量与被粘结的模型块相近； 固化后在室温下性能稳定。在破坏试验中对粘结剂的要求：在破坏试验中对粘结剂的要求： 断裂线能穿过粘结面，保证破坏形态相似。（二）粘结时应注意事项 模型粘结需注意以下事项： 1粘结前模型表面拂刷干净，不留粉尘，以免影响粘结质量。 2粘结时在两个粘结面上均匀涂抹一层粘结剂，数量以在粘结时在模型块上加压后缝

33、面四周能挤出一些粘结剂为宜。粘结剂内及粘结层中应注意将气泡排净，保证全面积粘合均匀。粘结层厚度一般为1mm。 3.粘结时要防止错位，在粘结剂凝固前，更需注意模型块的定位。 4. 坝体模型与坝基粘结时，要对坝体上下游靠近坝基处的应变片采取保护措施，防止应变片被粘结剂盖住，影响其工作性能。可将应变片表面用蜡封住，再在它表面涂凡士林，并盖上一层薄电容纸。水工结构模型试验水工结构模型试验4.1自重的自重的加荷方法方法(1) 集中力系法集中力系法一种常用的方法。不适合测全场应力，破坏了应力场。 将模型划分为若干个区，计算出每区的自重及重心位置; 在各重心点埋设加力块;通过连接加力块的钢杆或钢丝在模型外加

34、集中力。如图所示。(2) 面力法面力法研究对象：不是建筑物本身，例如属于地基的应力和稳定问题；做法：将上部结构简化，并将自重以一个或几个集中力或分布力作用于被简化了的上部结构上，但是必须使基岩面上的自重应力分布符合实际。 (3)体力法体力法方法：按照Cx1的相似要求选择模型材料；特点：这种模型材料具有与混凝土和岩石相近的容重，因此它不需借助外力，完全以体力模拟自重，尽管这样做仍然测不到自重应力，但它能较好地满足结构破坏试验的要求。4.2静水压力的加荷方法静水压力的加荷方法(1) 液体加压法液体加压法 在模型的受压面上，垫一层泡沫塑料或毛毡； 安装乳胶袋； 在乳胶袋内罐注液体，即产生沿高程呈三角

35、形分布的模拟水压力。 施加于模型上的液压有mpCl/CE。对于静水压力p=10kN/m3，则有m10Cl/CE。优点：优点：能正确模拟三角形荷载，加荷设备简单，操作方便。缺点：缺点：CP变幅小，只能模拟线性荷载，而且不少液体有腐蚀性、有毒，特别是使用水银必须要有严格的防漏及防毒措施。(2)压缩空气加压法压缩空气加压法 将荷载分布图形按高程分成若干条带，每一条带都设置相应尺寸的乳胶袋； 以各条带平均压强为控制指标，分别向各乳胶袋充填压缩空气便形成作用于结构面上的荷载。效果：效果：这种加荷方法是以阶梯形压力分布代替了三角形分布的静水压力分布。优点：优点：Cp可以变化，但变化不能太大； 可以模拟非线

36、性荷载，进行荷载叠加。缺点：要求气袋和结构受力面紧密结合；压力不能加到很大。适用：多用于应力模拟试验。(3) 利用千斤顶以集中力方式加载利用千斤顶以集中力方式加载常用加载方法把作用于坝或其它水工建筑物上的水压力（包括淤沙压力等）分成若干个区，计算出每个区的合力； 用不同规格的千斤顶以集中力方式加到每个区的合力位置上； 在千斤顶和坝面之间设置不同样式的垫块使荷载以不同形式加到坝体上。优点：优点：:由于它可以很方便地改变压强，因此适应于C1或C1时的不同加荷需要；Cp可以有较大的变化范围，所以不仅适用于弹性应力试验，而且多用它进行结构的破坏试验。缺点：缺点：对设备的加工精度要求高，要控制漏油问题；

37、 安装比较复杂，尤其是三维模型荷载方向不易控制准确，加载面上的应力值有时失真。 4.3 扬压力的加荷方法扬压力的加荷方法未很好解决。常用以下方法 作用于重力坝坝基面上的扬压力采用上部自重按扬压力分布图扣除重量的方法模拟； 作用于基岩切割面和滑裂面上的扬压力采用充气沙袋模拟。 作用于拱坝两岸山体内帷幕前的渗透压力以外力形式加在帷幕上。 针对具体问题采用具体方法。4.4 温度荷载的加荷方法温度荷载的加荷方法未很好解决。仅考虑均匀升温或降温。（1）直接加温法 将小比例模型置入油缸中，上下游油缸中布置蛇形管通以不同温度的热水形成温度差。（2）当量水荷法 在拱坝整体结构模型中把均匀温升或温降换算成当量外

38、水压力作用于坝面上。水工结构模型试验水工结构模型试验静力试验主要效应量 （1）应变：以此计算正应力和主应力的以及方向，得到应力分布； （2）位移：得到结构局部和整体变形，了解破坏的发生和发展。 应变及位移的测量方法：机测；电测。 （1）机测 机测位移系通过安装在测点上的千（百）分表测读； 机测应变则是由安装在测点上的位移计所截取的间距为L的两固定点之间的相对位移L计算该两点之间的平均应变 =L /L。 （2）电测 主要方式是在模型表面(或内部)粘贴(或设置)传感元件，将测点处的效应量转换为电信号输出。 电测法优点电测法优点 灵敏度高 应变可测到110-6； 传感元件体积小 用于测量应变的电阻片

39、最小尺寸只有1mm2，不影响应力状态； 测量范围宽 测量范围从几个微应变到几万个微应变。 环境适应性强 可用于复杂环境条件下测量，如水下、高温、高压等。 便于遥测、自动化及信息数字化 电测法缺点电测法缺点 只能测标距范围内的平均应变； 对加工和安装工艺要求较严格； 对环境条件也有要求。（一）应变测量（一）应变测量 1 测量原理 利用金属电阻丝受力变化的特性，建立电阻丝变形与阻值变化的关系测试应变。 应变电阻测量的基本原理及其过程框图 将电阻片粘贴在结构模型测点处； 模型受到荷载后产生的变形（）传给了电阻应变片，使电阻值发生了相应的变化(R)； 电阻变化值通过电桥后转换为电压（Uk）变化值输出；

40、 再将输出的电压信号经过放大器放大； 然后再利用相敏检波电路，把由应变变化引起的电压的不同极性区别开来； 最后由记录仪显示及记录下来。 2电阻应变片与电阻应变仪（1）应变片 电阻应变片(或称应变片)，又称电阻片，是实现应变电测最重要最基本的传感元件。 不同的电阻应变片有不同的功能。 应变片选择 需考虑试验的目的，结构的受力状态，试验的环境条件，被测材料的性质，以及运行操作条件等。 根据上述考虑选择应变片的类型、相应的电阻值, 标距，以及灵敏系数等。 种类选择：种类选择：脆性材料，贴片后保存时间不长，选常温纸基丝绕片（或短接片）； 金属材料，贴片后需长时间保存，选胶基萡片； 混凝土材料，上述两种

41、皆可； 特殊用途：选专用应变片。半导体片；高温应变片；裂缝扩展片；疲劳寿命片等。 标距选择：标距选择：标距指应变片金属丝栅的长和宽，代表应变片的大小。国内最小： 1mmX1mm。高应力梯度区的测量与标距关系较大。用于非均质材料上的 应变片标距不小于粗骨料粒径的45倍。 阻值选择：阻值选择：阻值为未安装前不受外力和室温下的电阻值。有阻值为60、120、200、 350、600、1000的最为常用。 灵敏系数选择灵敏系数选择：灵敏系数K为应变片对于承受应变的灵敏程度。与材料和制造工艺有 关，由厂家随应变片一同提供。同一模型应变片的灵敏系数最好一 致。（2）应变仪 应变仪是由测试电桥及电压信号放大器

42、组成的一个电阻值变化量测试系统。由电桥将阻值变化量转化为电压，再通过电压放大器放大后进行量测并输出。（3）应变量 电阻应变片反映的应变由荷载产生的应变和由应变片自身温度变化产生的应变两部分组成； 应变片自身温度变化引起的应变消除：在工作应变片边上贴不受荷载作用的应变片，分别接至应变仪的半桥臂，利用电桥相邻两臂同时产生符号相同、大小相等的电阻增量不产生输出电压的特性消除。3常温静态应变测量 （1）单轴应力问题：在已知主应力方向贴上单个应变片； （2）断面上的二维应力问题：测点上在0、45、90三个方向贴上应变片； （3）空间应力问题：测点在x-y、y-z、z-x三个面共贴9个应变片 （4）常温静

43、态应变测量的一般程序 模型预压：以消除其残余变形，预压荷载的大小可取材料极限强度的l/4左右即可； 正式加荷：每次加荷顺序必须统一，并尽量与原型实际工作状态一致。 卸荷使模型复原：第二次加荷测量必须在模型彻底复原后方可进行。(二二) 位移量测位移量测模型位移的测量有机测和电测两种方法。机测：主要应用千(百)分表进行位移测量。 优点：直观、不受温湿度干扰。 缺点：体积大，对于象测门槽等部位的变形时安装有困难；测整体模型的全场位移时几十只表互相重叠交叉，给测读带来困难。电测：是一种非电量电测技术，模型位移物理量变化通过设置于模型上的位移传感器，使之转化为电量（电阻、电感）变化，再经接受器变换处理显

44、示其结果。 常用位移传感器： 电阻式（位移变化转化为阻值变化输出）和电感式（位移变化转化为电感量变化输出）。前者通过全桥或半桥电路来测阻值变化；后者由专用就收设备测试。两者皆可连接万能应变仪测试装置实现位移测量自动化。 当C=1时，模型位移量乘以模型的几何比尺即为原型的位移量。（三）应变位移的现代量测技术（三）应变位移的现代量测技术常规测量技术存在的主要问题： （1）在测点多的情况下，测量时间太长，易受环境影响； （2）仪器之间容易发生干扰； （ 3）对荷载稳定性要求高； （ 4）无法对破坏过程进行有效的跟踪。 为此，目前国内外都已发展了用计算机控制的不同程度的自动化测试装置。 这类测试系统主

45、要由三部分组成： 自动巡回检测系统； 计算机控制系统； 输出、打印、显示、绘图等外部设备。 借助于计算机的逻辑功能，使得数据采集、数据处理及成果记录全部实现自动化和程序控制。这就从根本上克服了常规仪器在进行复杂问题研究中所出现的技术矛盾，从而为复杂结构、破坏机理、安全度等方面的物理模型研究提供了有力的工具，促进了模型试验的进一步深入与发展。第四章第四章 大花水碾压混凝土拱坝整体结构线弹性应力模型试验大花水碾压混凝土拱坝整体结构线弹性应力模型试验第一节第一节 工程概况和基本资料工程概况和基本资料 位置：位置：清水河中游，支流独木河河口1.9km以下 ，距贵阳市62km， 距开阳县45km。 挡水

46、建筑物挡水建筑物：抛物线双曲拱坝加左岸重力坝 总装机和库容：总装机和库容：装机容量200MW，总库容2.765亿m3。 拱坝：拱坝：坝顶高程873.00m；最大坝高134.5m；厚高比0.186 重力坝：重力坝：坝顶高程873.00m，最大坝高73.00m 坝基岩层及坝体混凝土力学参数：弹性模量；泊松比拱冠粱剖面图第二节第二节 结构模型试验结构模型试验试验目的：试验目的：坝体左右岸1/3拱弧处设与不设左右岸诱导缝以及设不设周边缝 时在下游水压力和泥沙压力作用下的应力和变形状态 模型设计与制作：模型设计与制作：几何比尺CL=180 拱坝模型最大高度为74.7cm 重力坝模型最大高度为40.6cm

47、 模型材料：石膏 材料模拟结果：试验工况试验工况：无缝 正常水位时的上、下游水压力泥沙压力(无缝) 校核水位时的上、下游水压力泥沙压力(无缝) 有缝 正常水位时的上、下游水压力泥沙压力(有缝) 校核水位时的上、下游水压力泥沙压力(有缝) 加载设计：气压自动加荷法加载设计：气压自动加荷法 荷载确定：水压力 正常蓄水位水压力 校核洪水位水压力 泥沙压力荷载量值：在上、下游校核水位和泥沙压力作用下模型各层中点的压力 在上、下游正常水位和泥沙压力作用下模型各层中点的压力 测点布置测点布置 ：应力测点布置 上游（无缝） 下游（无缝）上游（有缝）下游（有缝）位移测点布置：布置在下游试验成果 位移分布：沿高

48、程分布 沿拱圈分布 无缝有缝位移比较坝体应力：同样可以绘制坝体上下游面各向应力分布图。 试验成果分析试验成果分析 （1）在未设置周边缝和诱导缝时，仅考虑水压力的作用，试验成果和有限元的计算成果中坝体顺河向径向位移分布规律基本一致，符合拱坝位移及应力的一般分布规律。但试验成果中坝体顺河向径向位移在数值上大于有限元计算成果中坝体顺河向径向位移。 （2）在未设置周边缝和诱导缝时，仅考虑水压力的作用，试验成果和有限元的计算成果中坝体的应力分布规律基本一致，符合拱坝位移及应力的一般分布规律。 但试验和有限元计算成果中下游坝面最大主压应力发生的部位不同，试验成果的最大主压应力发生在800.0m高程附近，左岸重力坝和拱坝的交接处，有限元计算成果的最大主应力发生在拱坝坝底左拱端； 有限元计算成果中，拱坝上下游面左右拱端的拱向压应力，略小于试验成果中拱坝上下游面左右拱端的拱向压应力，并且在下游面拱冠底部区域出现拱向拉应力，而试验成果下游坝面拱向正应力仅在校核水位工况坝底出现较小的拉应力，大部分区域为压应力； 试验和有限元计算成果中梁向应力分布规律一致，且在数值上比较接近。 （3）设置周边缝和诱导缝后，坝体左右拱端上下游面的拱向压应力略有所减小，拱冠梁底部上游梁向拉应力有所增加，下游梁向压应力亦略有增加。