CN108267284A - 一种坝体结构库水压力模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种坝体结构库水压力模拟系统，属于水工结构试验技术领域。该系统包括刚性反力架、套筒、螺杆、刚性垫片、弹簧、吊盒、钢绞线、钢架、力传感器、传力板和垫板。在带有螺孔的反力架上调节螺杆，推动刚性垫片在套筒中移动来压缩弹簧，通过弹簧为坝体施加稳定的静水压力。吊盒通过钢绞线悬吊在钢架上，钢架固定在振动台台面上，与振动台一起激振，在吊盒中添加相应的附加质量块为坝体提供动水压力；力传感器固定在传力板上，再将传力板固定在吊盒上并与坝体紧密贴合，下部倾斜坝面通过垫板来传递水平荷载。本发明构造简单，制作和安装方便，为坝体提供了满足固液密度比尺要求的库水压力，技术合理，有良好的推广价值。

Description

一种坝体结构库水压力模拟系统

技术领域

本发明涉及一种水工结构振动试验中库水效应的模拟方法，适用于工程结构的大型振动台试验，属于水工结构试验领域。

背景技术

正常运行的大型水坝工程坝前会蓄水，当其遭遇地震时即发生在有水的工况中，因此在坝体的动力模型试验中，则需要模拟库水对于坝体的作用。坝体结构的抗震试验，由于成本及其它现实条件的制约，一般在振动台上进行。由于现阶段振动台尺寸的限制，无法进行大尺寸或原型坝体的动力模型试验，坝体模型一般都有几十分之一甚至几百分之一的几何比尺。较小几何比尺的模型测试需要结构模型材料有较大的密度，以保证地震输入条件下结构有较大的惯性力以获得合适的初始破坏加速度。根据相似理论的要求，在提升坝体模型材料密度的同时，需要提升库水模拟材料的密度。然而，现实条件下很难找到满足此相似要求的液体模拟库水作用，通常采用自然水作为库水来进行动力模型试验，这就导致了现阶段很多动力模型试验的固液密度比尺不相等，或坝体模型材料密度不足导致破坏延迟，从而使得坝体结构的动力模型试验无法更好的反应原型结构动力特性，也即现阶段坝体结构动力模型试验的一个难点问题。

目前，在坝体动力模型试验的领域，国内外还没有针对于固液密度比尺不相等问题的一套完整解决方案。

发明内容

本发明的目的是为解决固液密度比尺不相等的问题，本文采用等效代替的方式模拟地震动下的库水作用，采用弹簧组模拟静水压力，由附加质量组为坝体提供动水压力。

本发明的技术方案：

一种坝体结构库水压力模拟系统，包括静水压力模拟子系统和动水压力模拟子系统；

所述的静水压力模拟子系统包括螺杆1、刚性反力架2、刚性垫片3、导向套筒4和弹簧5；所述的刚性反力架2由方管或其它具有足够刚度的刚性材料制作而成，刚性反力架2上布置有螺孔，螺杆1从刚性反力架2上的螺孔穿入，并穿出；

所述的导向套筒4焊接在刚性反力架2上，每个导向套筒4对应一个螺杆1；导向套筒4内部涂抹润滑油，导向套筒4中布置有刚性垫片3和弹簧5；弹簧5一端与刚性垫片3连接，另一端与吊盒6连接；拧紧螺杆1，使螺杆1与刚性垫片3接触，进而推动弹簧5与吊盒6紧密连接，为坝体13施加静水压力；根据坝体13所受目标水压力的大小，选择弹簧5的尺寸和规格，并确定弹簧(5)预压紧的程度；

所述的动水压力模拟子系统包括吊盒含附加质量块6、钢绞线7、钢架8、连杆9、力传感器10、传力板11、垫板12和坝体13；将目标动水压力转换为相应的附加质量块添加在吊盒6中；力传感器10固定在传力板11上，调整其位置使其与每层吊盒(6)在后者对应表面的中心位置接触，以此来精确控制施加的水平荷载值；传力板11通过连杆9固定在吊盒6上；吊盒6通过钢绞线7悬吊在钢架8上，达到附加质量块通过传力板11与坝体13贴合，保证附加质量块与坝体13上游面的加速度相同。

对于倾斜坝面，坝体13上游面布置垫板12，通过力与力矩等效原理精确计算出该位置处应施加的水平荷载值。

施加水平荷载时，采用分层、分块的方法将坝体自上而下分成多个加载部分，在带有螺孔的刚性反力架2上调节螺杆1，推动刚性垫片3在导向套筒4中移动来压缩弹簧5，通过弹簧5为坝体13施加静水压力；吊盒6通过钢绞线7悬吊在钢架8上，钢架8固定在振动台台面上，拧紧螺杆1使得弹簧5与吊盒6紧密贴合，在吊盒6中添加附加质量块，通过振动台激振为坝体13提供动水压力；力传感器10固定在传力板上11，再将传力板11通过连杆9固定在吊盒6上并与坝体13紧密贴合，相邻传力板11之间留有一定的空隙，下部倾斜坝面通过垫板12来传递水平荷载。

本发明构造简单，制作和安装方便，能有效模拟静水压力和动水压力，也可以采取等效的方法模拟其他荷载，为坝体提供了满足固液密度比尺要求的库水压力，技术合理，有良好的推广价值。

附图说明

图1是一种坝体结构库水压力模拟系统总体结构的左视图。

图2是一种坝体结构库水压力模拟系统总体结构的俯视图。

图中：1螺杆；2刚性反力架；3刚性垫片；4导向套筒；5弹簧；6吊盒含附加质量块；7钢绞线；8钢架；9连杆；10力传感器；11传力板；12垫板；13坝体。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，零件先用煤油清洗，晾干后表面涂油，去除毛边毛刺，并浸涂防锈漆。将整个模拟系统固定在振动台上，使其和振动台一起激振。根据相似原理，采用密度较大的模型材料，能够为坝体提供足够的惯性力，同时可以满足容重相似，即竖向荷载满足要求。主要通过该模拟系统来为坝体提供水平荷载，采用分层、分块的方法将坝体自上而下分成七个加载部分，在每层荷载的重心处连接力传感器来施加荷载。

刚性反力架2由方管钢材制作而成，不会产生变形。在刚性反力架2对应位置上布置螺孔，导向套筒4焊接在刚性反力架2对应位置处，导向套筒4内部涂抹润滑油，在导向套筒4中布置刚性垫片3和弹簧5。通过拧紧螺杆1，使螺杆1与刚性垫片3接触，推动弹簧5与吊盒6紧密连接，为坝体13施加静水压力。因坝体13上部变形大，下部变形小，沿坝体13高度自上而下采用刚度逐渐增大的弹簧5，每一层通过两组弹簧5与附加质量组连接，并且弹簧5固定在导向套筒4中，可以防止弹簧5的侧向变形，同时弹簧5的刚度相对较大，通过调节弹簧5的初始压缩量达到在整个振动过程中静水压力基本保持不变。

采用Westergaard将动水压力转换为附加质量的思想，将实验实测且经过数值验证得到的动水压力根据相似理论进行修正得到目标动水压力，将目标动水压力转换为相应的附加质量添加在吊盒6中。先将力传感器10固定在传力板11上并布置在每层荷载的重心处，方便定位并以此来精确控制施加的水平荷载值，再将传力板11通过连杆9固定在吊盒6上。吊盒6通过钢绞线7悬吊在钢架8上，并移动到对应的加载位置，避免了附加质量的重力对局部坝体13结构产生影响，并且吊盒6与刚度较大的弹簧5连接，达到附加质量块通过传力板11与坝体13“贴合”的效果，一定程度上保证了附加质量块与坝体13上游面的加速度相同。对于倾斜坝面，坝体13上游面布置垫板12，通过力与力矩等效原理可以精确计算出该位置处应施加的水平荷载值。为使集中荷载均匀作用在坝体13上，防止应力集中导致坝体13出现初始裂缝，在传感器后方布置传力板，传力板使用钢板制成，为减少传力板12与坝体13上游面的摩擦，在传力板11上布置一层薄橡胶皮。相邻传力板11之间留有一定的空隙，使其能适应坝体13的受力变形，从而不影响传力板11传力。

一般情况下认为温度荷载和扬压力对坝体的影响很小，在模型试验中可不进行模拟。当有必要进行模拟时，可以采取等效的方式在该模拟系统的静水压力模拟系统中实现。可以将温度荷载简化为当量荷载，采用水平荷载的方式将荷载作用到坝体上。扬压力可以通过自重折减扬压力的方法来模拟竖向力，并增大水平荷载值来等效扬压力对坝基面的弯矩。

该模拟系统能够有效的模拟坝体所受到的各种荷载，对坝体上游面的静水和动水压力作用的模拟可到达精确控制，结构简单，操作方便，具有较高的推广价值。

Claims (2)

1.一种坝体结构库水压力模拟系统，其特征在于，所述的坝体结构库水压力模拟系统包括静水压力模拟子系统和动水压力模拟子系统；

所述的静水压力模拟子系统包括螺杆(1)、刚性反力架(2)、刚性垫片(3)、导向套筒(4)和弹簧(5)；所述的刚性反力架(2)上布置有螺孔，螺杆(1)从刚性反力架(2)上的螺孔穿入，并穿出；

所述的导向套筒(4)焊接在刚性反力架(2)上，每个导向套筒(4)对应一个螺杆(1)；导向套筒(4)内部涂抹润滑油，导向套筒(4)中布置有刚性垫片(3)和弹簧(5)；弹簧(5)一端与刚性垫片(3)连接，另一端与吊盒(6)连接；拧紧螺杆(1)，使螺杆(1)与刚性垫片(3)接触，进而推动弹簧(5)与吊盒(6)紧密连接，为坝体(13)施加静水压力；根据坝体(13)所受目标水压力的大小，选择弹簧(5)的尺寸和规格，并确定弹簧(5)预压紧的程度；

所述的动水压力模拟子系统包括吊盒含附加质量块(6)、钢绞线(7)、钢架(8)、连杆(9)、力传感器(10)、传力板(11)、垫板(12)和坝体(13)；将目标动水压力转换为相应的附加质量块添加在吊盒(6)中；力传感器(10)固定在传力板(11)上，调整其位置使其与吊盒(6)在后者对应表面的中心位置接触，以此来精确控制施加的水平荷载值；传力板(11)通过连杆(9)固定在吊盒(6)上；吊盒(6)通过钢绞线(7)悬吊在钢架(8)上，达到附加质量块通过传力板(11)与坝体(13)贴合，保证附加质量块与坝体(13)上游面的加速度相同。

2.根据权利要求1所述的坝体结构库水压力模拟系统，其特征在于，对于倾斜坝面，坝体(13)上游面布置垫板(12)，通过力与力矩等效原理精确计算出该位置处应施加的水平荷载值。