水工建筑物实验模型

《水工建筑物》

结构模型教学试验指导书

李桂荣

武汉大学水利水电学院

混凝土重力坝断面结构模型试验

1、目的要求

学习应用模型试验的方法进行水工建筑物的结构分析；学习重力坝断面结构模型试验的方法；学习和掌握测试仪器的性能及使用方法。

2、试验内容

大坝在设计情况下坝基面上的应力分布情况；大坝在设计情况下坝体的水平位移。

3、试验原理

在水工建筑物中如拱坝、支墩坝、连拱坝等结构和边界都比较复杂的情况，数学模型不可能或者难以模拟的某些重要的物理现象，往往需要借助物理模型进行试验研究。结构模型试验内容包括：应力、变形、稳定及承载能力等问题。结构模型能够模拟建筑物及其地基的实际结构性态，可以同时考虑多种因素及复杂的边界条件，而且能给人以直观的结果，因此结构模型试验是结构分析的一种重要手段。

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，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反映原型的实际情况。

根据相似原理，按照结构模型试验相似指标设计出与原型相似的重力坝模型，从相似模型上，量测应变等，再通过一定的相似关系推算到原型建筑物。4．原型基本资料：

重力坝为混凝土实体重力坝，坝高为81米，坝顶宽12米，坝底宽60米，下游坝坡1：0.75。坝体混凝土弹性模量E1=19200Mpa,坝基岩体弹性模量E2=19200Mpa，E3=9600Mpa，混凝土与基岩的泊松比均为μ1=μ2=0.2，坝体混凝土密度为24KN/M3，库水密度为10KN/M3，水库上游设计水位78米。校核水位80米。

5、相似关系及相似常数的确定

结构模型试验的目的是研究建筑物的应力和变形状态。我们研究的主要对象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，建筑物的几何形状的尺寸和材料的物理力学性能。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遵循一定的规律，这个规律就是相似原理。根据相似原理结合本次试验，原型（P）与模型（M）各物理量之间保持下列相似关系：

5.1相似常数

几何比尺：C L=L P/L M=100

弹模比尺：C E=E P/E M=6

密度比尺：C

γ=γ

P

/γM

应变比尺：Cε=εP/εM=1

应力比尺：C

σ

=σP/σM=6

位移比尺：C

δ

=δP/δM=100

泊松比比尺：C

=μP/μM=1

μ

荷载比尺C X=X P/X M= Cγ. C L3=6/100*1003=60000

相似判据：

Cε.C E/ Cσ=1、Cε.C L/ Cδ=1、Cσ/ C X.C L = 1

图1 重力坝断面结构模型照片

图2 材料分区

5.2基础模拟范围

上游重力坝断面模型基础模拟范围是: 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大。

上游基础长度:83米

下游基础长度:189米

基础深度:83米

6．试验装置

坝体及厂房自重荷载采用分块加集中力的方法，按图中所示分成五块，通过各块重心在坝面施加相应的集中力。

上游库水压力按图所示分成五区，用五个油压千斤顶施加于各区形心，并通过各块刚性垫块使其转换为分布荷载。为简化油压系统，分区按等荷载方法进行计算。

应力是通过粘贴于模型上的电阻应变片在荷载作用下测得应变值计算获得。

位移是通过装置于模型上的位移传感器在荷载作用下所示数值经换算获得。

本次试验所用的主要仪器、设备：电阻应变计、应变量测系统、位移量测系统、位移传感器、拉力传感器、油压千斤顶、油泵、标准压力表等。

7．荷载计算

7．1原型荷载（坝段长B=10米）

坝体自重：

图3 坝体自重荷载计算简图

1、81*12*10*24=233280KN

2、（64+40）*18/2*10*24=224640 KN

3、（40+20）*15/2*10*24=108000 KN

4、15*20*10*24=72000 KN

厂房及水轮机自重：

20*30*10*24=144000 KN

上游水压力：

1/2*10*80*80*10=320000KN

坝基扬压力：（扬压力计算见简图按有帷幕，无排水取扬压力折减系数α=0.5）

图4 坝基扬压力计算简图

1、[（78+39）+（39+34.7）]1/2*6*10*10=57210KN

2、（34.7+21.7）*18/2*10*10=50670 KN

3、（21.7+10.8）*15/2*10*10=24300KN

4、（15*10.8）1/2*10*10=8100 KN 7．2模型荷载计算

垂直荷载：垂直荷载为自重和扬压力叠加。模型自重荷载按图3所示分块计算。 1、[（81*12*10*24）-[（78+39）+（39+34.7）]1/2*6*10*10]/ C X =2.93KN 2、[（64+40）*18/2*10*24-（34.7+21.7）*18/2*10*10]/ C X =2.9 KN 3、[（40+20）*15/2*10*24-（21.7+10.8）*15/2*10*10]/ C X =1.395KN 4、[15*20*10*24-（15*10.8）1/2*10*10]/ C X =1.065KN 5、20*30*10*24/ C X =2.4 KN 上游总水压力：

1/2*10*78*78*10/ C X =5.07KN

压力表读数=

2

46.3*507

.5cm

=2.93MPa 7．3模型水压力分块计算

上游坝面水压力采用油压千斤顶加载方式进行，为了简化油压系统，分区按等荷载方法计算，荷载分成五等份，用五个油压千斤顶施加于各区形心。水压力分块示意图如下：