基于振動臺上的壩體-庫水耦合動力模型試驗的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于振動臺上的巧體-庫水禪合動力模型試驗的設(shè)計方法，屬于水工 結(jié)構(gòu)工程與模型試驗研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 地震作用下上游庫水及巧體相互的動力作用對巧體自身的動力響應(yīng)有著重要的 影響。在振動臺上進行巧體-庫水禪合地震動力模型試驗的難點在于方各方面；一是模型 材料的選擇；動力模型試驗時，需根據(jù)試驗要求、振動臺的特性對巧體模型根據(jù)相似比尺對 原型巧體進行縮小。再將原型巧體幾何尺寸縮小的同時，其制作巧體模型的材料的力學(xué)特 性，如強度、彈模，也需要按照相似理論被降低。第二個難點是巧體-庫水動力禪合系統(tǒng)中 上游庫水的模擬。一般情況下上游庫水作用采用在巧體上游面放置一個水箱模擬，但是模 型材料及巧體模型與水箱的接觸面很難保證不漏水。還有，如何用一個有限尺寸的水箱來 模擬巧體上游無限域水庫也是亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供了基于振動臺上的巧體-庫水禪合動力模型試驗的設(shè)計方法，本試驗 的設(shè)計方法能夠用于研究地震作用下上游庫水對巧體動力響應(yīng)的影響，并解決了試驗過程 中模型材料及巧體模型與水箱接觸面的漏水問題，W及解決了用一個有限尺寸的水箱來模 擬巧體上游無限域水庫及巧體上游面動水壓力測試的問題。
[0004] 本發(fā)明基于振動臺上的巧體-庫水禪合動力模型試驗的設(shè)計方法是該樣實現(xiàn)的： 所述基于振動臺上的巧體-庫水禪合動力模型試驗的設(shè)計方法的具體步驟如下：
[0005] Stepl、根據(jù)原型大巧水工設(shè)計圖紙和振動臺幾何尺寸及承載能力，運用相似理論 設(shè)計出二維模型巧體巧段的各部位幾何尺寸及各個相關(guān)監(jiān)測設(shè)備的布置方案，見圖1;
[0006] St巧2、根據(jù)相似比尺理論及步驟St巧1中設(shè)計的原模型巧體幾何比尺，確定模型 材料所需要具備的密度、彈性模量及泊松比等主要物理力學(xué)參數(shù)，W此來確定仿真模型材 料的配比和養(yǎng)護齡期；
[0007] Step3、利用預(yù)制好的模型巧體鋼模具，在振動臺上采用步驟Step2中確定的仿真 模型材料誘筑步驟Stepl中設(shè)計的巧體模型，并在誘筑模型巧體過程中根據(jù)步驟Stepl中 設(shè)計的各個相關(guān)監(jiān)測設(shè)備的布置方案（如圖1)來預(yù)埋各測試儀器；記錄好模型誘筑完成時 間，預(yù)算出養(yǎng)護齡期、拆模時間及振動試驗時間，拆模后的動力試驗巧體模型，如圖2 ;
[000引Step4、巧體模型初凝拆模后，將水庫的模擬裝置，采用水箱，吊裝至模型巧體上游 偵U，靠巧體側(cè)水箱的側(cè)壁被取消后W模型巧體擋水時，要保證水箱內(nèi)隔水塑料袋與模型巧 體上游面緊密接觸，W保證水箱內(nèi)水體能夠模擬出原型巧體上游庫水的作用；
[0009] steps、在水箱內(nèi)遠離模型巧體的一端放置一個模擬無限遠水庫庫尾消能裝置，如 圖1，用于避免地震動力試驗時遠離巧體一端的水箱壁產(chǎn)生水波回彈效應(yīng)；
[0010] steps、模型巧體和模擬水庫裝置的水箱組裝完畢之后，對模型巧體上游迎水面的 塑料薄膜穿孔，使布置于模型巧體上游表面的水壓力傳感器的測壓膜片與水箱中的水體充 分接觸，W便測得不同試驗工況下模型巧體不同部位的壓力值，如圖5;
[0011] Step7、各個試驗測試儀器設(shè)備安裝、連接完畢之后，開始模型巧體地震動力模擬 試驗，先進行空庫振動試驗，再向水箱中注滿水，進行滿庫工況下的地震動力模型試驗；現(xiàn)。 得模型巧體上游面動水壓力、關(guān)鍵部位應(yīng)變、沿巧體高程時程加速度及位移等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
[0012] 所述步驟St巧2中，采用由河砂、礦石粉、水及水泥制成的低彈模、低強度的模型 材料來制作巧體模型，用于滿足模型試驗的相似比尺要求，在材料中添加鉛粉配重用于滿 足模型密度比尺要求。
[0013] 所述步驟Step4中，模型巧體與上游水庫即水箱采用軟件連接方式模擬，使得地 震動力試驗時使巧體-庫水系統(tǒng)禪合起來，模擬出地震時上游庫水對巧體的相互作用。
[0014] 所述步驟steps中，所述庫尾消能裝置是由木條做成框架，迎水面方向依次布置 四層漁網(wǎng)，如圖4所示，振動試驗時箱內(nèi)水體震蕩產(chǎn)生的水波會被該四層效能網(wǎng)吸收，用于 解決振動試驗過程中水波在水箱遠端擋板回彈效應(yīng)，模擬了無限遠庫水效應(yīng)。
[0015] 所述Step6中，為使預(yù)埋在模型巧體上游表面的水壓力傳感器能夠準確測得數(shù) 據(jù)，則對附在巧體上游表面的塑料薄膜穿孔并用螺絲固定，加橡皮墊W防漏水，如圖5所 /J、- 〇
[0016] 所述步驟Step2中，根據(jù)原型與模型幾何比尺確定模型材料的物理力學(xué)參數(shù)比尺 方法如下：
[0017] 線彈性條件下，根據(jù)彈性力學(xué)中的幾何方程物體受荷變形時滿足應(yīng)變e、位移U 及物體尺寸1的關(guān)系為e=U/1，所W原型與模型的幾何比尺要滿足：
[001 引 入u=Ae/入1 (1)
[0019] 因為應(yīng)變e為無量綱的，原型與模型要保證嚴格幾何相似，那么就要使A。= 1， 可導(dǎo)出入U二入1。
[0020] 另由彈性力學(xué)物理方程0 =De可知原型與模型材料的彈模E、泊松比y、應(yīng)變 e及應(yīng)力0的相似比尺應(yīng)滿足：
[0021] 人，=1 (2)
[0022] 入。=A。入E 做
[0023] 結(jié)構(gòu)受荷一般為面力P，集中力F，力矩M，由物體應(yīng)力表示面力的邊界條件關(guān)系： Pi二 0ijD(I，j二 1，2,扣，得出：
[0024]入。=入P(4)
[0025] 進而得出集中力及力矩的相似比尺：
[0026]
(5)
[0027] 根據(jù)牛頓第二運動定律F=am,得出原型與模型慣性力與彈性恢復(fù)力相似，即可 得：
[002引
（6)
[0029] 根據(jù)結(jié)構(gòu)加速度與位移及時間的關(guān)系，可得出：
[0030]
(7)
[003U根據(jù)式（1)、（3)、巧）、做及（7)可得出：
[0032]
(8)
[003引在模型的設(shè)計中要保證振動慣性力與重力的比例相同，則結(jié)構(gòu)的加速度比尺與重 力比尺相同：
[0034]
(9)
[0035] 由于原型與模型位于同一個重力場內(nèi)，所WAg=1，再根據(jù)A。=1，則時間比尺 為：
[0036]
(10)
[0037]在試驗中要同時滿足彈性恢復(fù)力比尺做和重力相似比尺（10)，即彈性-重力相 似要求：
[0038]入i=Ae/入P(11)
[0039] 因此，當原型與模型的幾何比尺及密度比尺確定之后，其他物理關(guān)系比尺均可導(dǎo) 出。
[0040]所述步驟steps中，防止水波回彈效應(yīng)的庫尾消能裝置是由木條做成框架，迎水 面方向依次布置四層漁網(wǎng)，振動試驗時箱內(nèi)水體震蕩產(chǎn)生的水波在水箱尾部會被該四層效 能網(wǎng)吸收，如圖4 ;
[0041]所述步驟Step6中，為使巧體上游表面水壓力傳感器測得動水壓力值，需將水箱 的隔水塑料薄膜在相應(yīng)測點位置穿一個小洞，使水壓力傳感器測頭由小洞穿出，墊上橡皮 墊，再用螺絲梓緊，保證傳感器測點邊緣不漏水，又能測得數(shù)據(jù)。
[0042]模型巧體上游水箱的設(shè)計時，有=個特點：一是取消長矩形水箱與模型巧體上游 面相接觸一端的側(cè)壁，W模型巧體上游面作為擋水側(cè)壁，W便水箱內(nèi)的水體與模型巧體上 游面充分接觸，形成巧體-庫水禪合模擬系統(tǒng)；二是水箱內(nèi)放置一個與其內(nèi)部尺寸相一致 的特制薄塑料袋，W保證水箱內(nèi)充滿水時不漏水，起到隔水作用，并且水箱可W用角鋼作為 框架，W薄木板做箱壁。該樣的設(shè)計不但節(jié)省造價，還能減輕水箱自重，試驗時易于搬運；= 是為了模擬水庫的無限水域和減少系統(tǒng)振動時模型巧體對面箱壁對水波的反射作用，本系 統(tǒng)設(shè)計一個振動時能夠吸收水波的消能裝置放于水箱內(nèi)離模型巧體的最遠端，W消除水波 撞擊模型巧體對面箱壁產(chǎn)生的能量；
[0043]本發(fā)明的工作原理是：根據(jù)相似理論確定模型巧體尺寸及模型材料各個物理力學(xué) 特性。采用在內(nèi)部放置薄塑料袋的水箱模擬巧體上游水庫，解決了試驗時模型材料及模型 巧體與水箱連接處漏水的問題，用模型巧體上游面取代水箱一端側(cè)壁擋水，模擬上游庫水 對巧體的作用。在測量動水壓力時，防水塑料薄膜在相應(yīng)測點位置穿一個小洞，使傳感器測 頭由小洞穿出，墊上橡皮墊，用螺絲梓緊，保證水壓力傳感器測點邊緣不漏水，又能測得數(shù) 據(jù)。為使水箱能夠模擬無限域的庫水效應(yīng)，在水箱內(nèi)遠離模型巧體的一端放置一個