面板坝铜片止水力学性能的试验研究

面板坝铜片止水力学性能的试验研究

郝巨涛，岳耀真，吕小彬，贾金生*

(中国水利水电科学研究院结构材料研究所)

摘要：本文对面板坝的基本止水铜止水的力学性能进行了试验研究，提出了变埋深方法测试铜片与混凝土的粘接强度，得出了有意义的结果。另外，采用应变片量测方法对铜止水薄壳结构在纯剪切作用下的力学特性进行了研究，为了解铜止水在复杂应力状态下的变形特性提供了依据。

关键词：铜止水；面板坝；力学特性；试验

收稿日期：2000-04-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(59639250)

作者简介：郝巨涛(1961-)，男，中国水利水电科学研究院结构材料研究所高级工程师，从事水工建筑物的止水及防渗研究。

*参加试验工作的还有瞿扬、孙金刚同志。

铜片止水是水工建筑物中的一种常用止水形式，在面板堆石坝中，作为面板接缝的底部止水更是在工程中得到普遍应用。铜片与混凝土材料之间的粘接强度是铜止水设计中的基本参数，在拉拔试验中，由于这类埋入式构件表面的非均匀应力分布，测出的平均拉拔强度与构件的埋深有很大关系。实际上对于具体的材料和施工工艺，粘接强度是一个确定的数值。埋入式铜片在拉拔过程中，粘接表面的受力首先是非均匀地发展，当某点达到粘接强度后，该点的粘接就被破坏，导致粘接面的应力发生重分布(如果埋深足够长)，并按照新的规律继续发展，直至铜片被拔出。文献[1]曾经进行过这一问题的研究，但是其研究的重点是铜止水的嵌固形式，对粘接强度只进行了一种埋深的试验。本文进行了不同埋深的铜片拉拔试验，并测出了粘接强度。铜止水的剪切特性也是一个尚未解决的工程问题，本文在文献[2]的基础上，采用应变片量测试验方法对铜止水鼻子部位的剪切特性进行了试验研究，取得了有意义的结果。

1 铜片材料的基本性能

紫铜即纯铜，国内生产的铜片有T

1、T

2

、T

3

、T

4

等标号。本次试验采用铜片

的厂家为洛阳铜加工厂，牌号T

2

，状态为硬(Y)，厚度为1mm，硬度为115HB，抗拉强度436MPa.硬态紫铜可以通过退火方式达到软铜的良好可塑性状态，退火温度一般为550℃～600℃。

此次试验采用简易电炉盘加热方式对铜片进

行退火，退火温度约为450℃～500℃，稳定

加热时间为30min.将退火后的铜片按照GB的

规定进行拉伸实验，可得图1所示的应力-应

变关系曲线。由图1可知，铜片经过退火后，

屈服强度为150MPa，屈服拉伸应变为5.8×

10-3，极限拉伸强度为431MPa，极限拉伸应变

为3.2×10-1。应变为1.6×10-4时，铜片的初

始模量为6.6×104MPa；应变为1.4×10-1时，

铜片的模量减小到3×103MPa.

图1 铜片应力伸长率曲线2 铜片的粘接性能试验

铜片拉拔试验用的混凝土采用常规面板坝混凝土的配合比，见表1.

表1 铜片拉拔试验混凝土配合比

水灰比525#硅酸盐水

泥/(kg/m3)

砂/(kg/m3) 小石/(kg/m3) 中石/(kg/m3)

DH引气剂/水泥

(%)

0.45～0.5*320 663 565 565 0.01mm

*注：根据砂中含水量调整。

试验采用20cm×20cm×20cm的混凝土立方试件，将10个50 mm×1 mm断面的铜片分别按照2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 cm的埋深浇入混凝土试件内。在标准养护条件下经30d养护后，对10个试件进行拉拔试验，采用两个油压千斤顶对铜片施加拉拔力，加荷速率约为10kN/min.试验中，随着拉拔力的增大，拉拔位移也逐渐增大。当拉拔力达到某一程度时将不再随拉拔位移的增大而增大，并呈缓慢下降趋势。这时的拉拔力将主要由摩擦力维持。试验结束后，首先用埋深为2、4、6cm的试件在垂直于铜片表面的方向进行了抗压试验，测得的抗压强度相应为42.0、35.0、42.1MPa.对埋深为16、18、20cm的混凝土试件顺铜片平面进行了劈拉试验，结果发现18cm试件的铜片被拉断，断裂的位置距离缝口为4cm.16、20cm试件的铜片保持完整。相应劈裂荷载分别为170.0、141.0、87.5kN.

图2 拉拔位移U与平均剪切应力T试验关系图3 铜片埋深D与平均剪切强度T试验关系将拉拔力除以各个试件的铜片与混凝土之间

的粘接面积(双面)，即得粘接面的平均剪切强度。

试验得到不同埋深试件的平均剪切应力T(MPa)与

拉拔位移U(mm)的关系见图2.各个试件平均剪切

强度与各个试件的埋深见图3，从中可以看出试验

结果的规律性很好。这里将铜片埋深趋近于零时

的平均剪切强度定义为粘接强度，由图3经过数

值回归方法可以确定粘接强度为2.42MPa.平均剪

切强度S

a

与埋深D之间的试验回归关系为：

S

a

=2.42-0.22D+(0.079D)2,(r2=0.98).最后，将各

试件的出现最大拉拔力时的拉拔位移定义为破坏

位移U

f ，它与埋深D的关系如图4所示。

图4 破坏位移U

f

与埋深D的关

系

3 铜止水的剪切模型试验

3.1 试验装置及其可靠性检验为了了解铜止水在纯剪切作用情况下的变形特点，这里进行了F型铜止水的剪切试验。试验装置如图5所示。试验装置呈水平放置，装置中设有两个(1300～1400)×400×200mm的混凝土块体。左侧块体为固定块，略长，由型钢框架固定，右侧块体为活动剪切块，在两个千斤顶的水平推力作用下产生水平向的移动。铜止水具有立腿一侧的翼板埋设在左侧固定混凝土块中，平板一侧的翼板埋设在右侧的活动剪切混凝土块中。剪切块下垫有6根Φ8×400mm的滚动钢筋，以减小其在滑动过程中的阻力。为确保剪切块相对于固定块的平行移动，剪切块临空侧边设置了35个Φ3/4英寸的由型钢支撑的滚珠，同时在接缝内的进出口处设置了两个Φ42×90mm的镀锌立管，以防止两个混凝土块相互靠近。