CN1173163C - 一种模型试验中离散化多主应力面加载方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种模型试验中离散化多主应力面加载方法及装置，涉及一种模型试验中给模型施加应力的方法及装置。其特点是将加载面上需要模拟的复杂变化的应力分布场，离散为有限多个微小的单元应力场，并认为此单元应力场为一个等效的均匀应力场。其加载装置是在模型加载面上设置有限多个加载小区域，每个加载小区域安装反推力板，在反推力板内侧放置两个高低压不同的气囊，将千斤顶安装在每个反推力板后面，气囊与空气压缩机相连；并在反推力板上安装有压力监测和报警辅助系统。本发明可以方便地改变和控制不同部位应力大小和方向，从而能够模拟复杂多变的三维应力场，既能体现出施加应力的大小和方向，还能对应力施加过程中的压力进行监测和控制，方法简单易行。

Description

一种模型试验中离散化多主应力面加载方法及装置

技术领域

本发明涉及一种在模型试验中给模型施加应力的方法及实现该方法而设计的控制装置，可应用于各种工程相似模型试验中。

背景技术

模型试验是研究结构工程稳定和支护系统优化设计及合理化施工方法的重要手段。在模型试验中，往往需要给试验模型施加复杂的应力，以真实再现原型所处的力学环境。目前，给模型试验施加应力的方法及控制装置主要有以下及种：

一是在模型边界上施加均匀分布的应力，这种加载方式是在平面模型试验中进行的，模型由两个刚性刚架组成，模型平卧，水平向采用柔性液压囊施加应力荷载，垂直向由支承在刚性“门型”刚架上的4只50吨液压千斤顶进行纵向控制。模型安装好后，可在4个侧面同时进行分级施加应力荷载。各方向荷载的施加、控制及稳压均由WY-300型气液稳压器实施。参见文献：“赵震英，洞群开挖围岩破坏过程试验，《水利学报》，1995年12月，第24~28页”。

二是模型作用面上施加荷载在模型的三维6个面同时施加量级个各不相同的三向主动荷载，每一个作用面的荷载为均匀分布的。加载控制装置包括：充油系统，主要用来使整个油路充油的准备工作；加载油路，经滤油器、振动阻尼器、单向阀、伺服阀分流器进入同步油缸组给模型实施加载；采用6个闭环伺服控制回路进行控制。所有这些均纳入电子计算机进行操作控制。该加载方式影响因素很多，不易控制。参见“郭舜年李先榕，三维地质力学模型试验装置加载及其控制系统设计，《水电工程研究》，1997年第4期，第33～37页”。

三是将作用面分成若干个均匀分布的荷载区，在三个作用面上施加荷载，另外三个对应面做成被动承压面，以反力的形式来模拟该处的地应力。对每个荷载作用面又分成3-4个均匀分布的荷载区，每个荷载区的总荷载等于该区原有荷载的总和。模型的荷载通过油压力盒或油压袋施加，当三维台架中模块砌筑完毕后，即安放油压袋，引出油管和测量电缆，再用砂及砂袋将油压袋与台架间的空隙充填密实。见“陈霞龄等，地下洞室围岩稳定的试验研究，《武汉水利电力大学学报》，1994年2月，第17～23页”。

以上所述方法很难模拟复杂多变的三维应力场，如大小、方向在不同部位都有变化的地应力。

发明内容

为了克服现有的无法模拟复杂多变应力场加载方式的不足，本发明不仅能体现施加应力荷载的大小和方向，而且还能对荷载施加过程中进行监测和控制。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种模型试验中离散化多主应力面加载方法，其特征在于：将加载面上需要模拟的复杂变化的主应力加载面，离散为有连续多个微小加载区域，用连续多个微小加载区域代替原来的主应力加载面；每个加载小区域安装反推力板，在反推力板内侧放置两个高低压不同的气囊，用空气压缩机为气囊充高压气，用于给试验模型施加压力，可认为每个加载小区域的单元应力场为一个等效的均匀应力场，并据此施加法向荷载，其荷载按如下方法计算：

(1)由实测应力值计算整个加载作用面上的应力等值线值；

(2)计算每个微小加载区域的等效应力值；一般选取中点值；对应力梯度较大的部位可根据每个微小加载区域的应力等值线值，由下式对该微小加载区域的面积进行积分计算所施加的等效应力： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\mathrm{ij}}=\underset{s}{\∫\∫}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{ds}/S$ (式中 σ_ij为该微小加载区域上所施加的等效应力；σ_ij为该微小加载区域上的应力等值线值；S为该微小加载区域的面积)；

(3)对每个小区都重复步骤(2)，即可得到整个加载面上所施加的应力。

本发明还提供了一种所述方法的加载装置，其特征在于：该装置主要包括封闭式环形钢架1、支撑钢架2、垂直立柱3、千斤顶5以及由封闭式环形钢架和垂直立柱围成的放置试验模型的空腔10，将至少一个试验模型加载面离散成有限个加载小区域，每个加载小区域安装反推力板4，在所述反推力板内侧放置两个高低压不同的气囊6，反推力板后安装千斤顶，所述千斤顶固定在垂直立柱上。

所述的反推力板是所述的反推力板是由连接平板和两块互相成直角且分别与两个主应力加载面相互平行的斜板组成”。并在每个加载小区域的反推力板上安装有压力监测和报警辅助系统，该系统由微型气压监测塞8、指示灯7(或/和蜂鸣器)和电源控制开关9组成。

为了能承受大的荷载，该装置还在试验台架上设有支撑钢架。

与现有技术相比，本发明可以方便地改变和控制不同部位的应力大小和方向，从而能够模拟复杂多变的三维应力场，既能体现出施加应力的大小和方向，还能对荷载施加过程中的压力进行监测和控制，方法简单易行。同时由于试验台架上设置了多根支撑钢架，可以承受很大的荷载。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1a为离散化多主应力面加载方法示意图。

图1b为将复杂多变的主应力场离散为有限多个微小的单元应力的实例示意图。

图2为加载试验台架结构立体示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为图3的局部放大图，表示出一个加载小区域及压力监测和报警系统的结构示意图。

图5为压力监测和报警辅助系统安装示意图。

图中：1-环形钢架；2-支撑钢架；3-垂直立柱；4-反推力板；5-千斤顶；6-高压气囊；7-指示灯；8-微型气压监测塞；9-电源控制开关；10-放置试验模型的空腔。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的基本原理、结构和实施例。

本发明的基本思路来源于有限元、边界元及离散元等，即将研究域离散化进行数值分析的原理，把需要模拟的复杂变化的地应力分布场，离散为有限多个微小的单元应力场，并认为此单元应力场为一个等效的均匀应力场。用一组垂直于该单元应力场主应力矢量的微小主应力面，代替原来的斜截面，并在这一组主应力面上按照等效主应力的大小施加法向力，从而达到模拟这一单元应力场的目的。对各个离散的单元应力场均进行这样的操作，就可以完成整个试验域的复杂变化的应力场的模拟。

图1为离散化多主应力面加载方法示意图，在该模型中受三个地应力的作用，最大与最小主应力水平，并与模型的轴线(机组轴线)成45度夹角(图1a)，中间主应力垂直(中间主应力不垂直也可用该方法)。将最大与最小主应力作用面离散成小加载区域(图1b)，用微小主应力面代替原来的斜截面。离散成多少个小区域要考虑主应力的变化梯度、研究的目标、操作的方便等。从理论上讲，离散后的区域越多则精度越高，但这样会给具体实施操作带来困难，因此不宜太多。在本次实施中整个加载区域被离散成91个小区域。在计算每个小区域的应力之前，先计算并绘制整个作用面上的应力等值线，根据每个小区域上的等值线，由下式计算所施加的等效应力：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\mathrm{ij}}=\underset{s}{\∫\∫}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{ds}/S$

式中 σ_ij为该小区域上所施加的等效应力，σ_ij为该微小加载区域上的应力等值线值，S为该小区域的面积。假如所要施加的应力为20MPa，该应力沿作用面上呈递减，即由20MPa逐渐变化到1MPa，在第二行第二列的小区域的应力为16-18MPa，取该区域中点值17MPa，则按照上面的表达式对面积积分可得到第二行第二列的小区域上的应力为17MPa。若取其它点的数值绘制作用面上的等值线并进行插值计算，再进行面积积分。每个小区域都遵循该计算方法，便得到整个加载面的应力。

图2图3表示出了为本发明的加载装置的具体结构。主要包括封闭式环形钢架1、支撑钢架2、垂直立柱3、高压气囊6、反推力板4、千斤顶5、放置试验模型的空腔10及压力监测和报警辅助系统。封闭式钢结构环梁、支撑钢架、垂直立柱构成试验台架，是模型试验中不可缺少的，其有两个功能，第一是容纳整个模型并提供边界条件，第二是安装加载系统；它的设计必须考虑两个方面的要求，即要求试验台架的尺寸能足够容纳整个模型及要求承受加载时不至于产生过大的变形。试验台架是用地脚螺栓将其固定于地面；模型加载面被离散成有限个加载小区域，每个加载小区域安装反推力板4，反推力板是由连接平板和两块互相成直角且分别与两个主应力加载面相互平行的斜板组成(如图4)，其内放置两个高低压不同的气囊6；反推力板后安装千斤顶5，千斤顶固定在垂直立柱3上；空气压缩机未安装在试验台架上，在试验台架外部给气囊加压。压力监测和报警辅助系统由指示灯7和微型气压监测塞8和电源控制开关9组成；每个气囊上安装有微型气压监测塞，类似于汽车轮胎的加压汽嘴，指示灯和微型气压监测塞均固定在反推力板后，由电线串联起来(如图5所示)。

千斤顶为3.2T的液压千斤顶，主要作用是调整承力鋼架立柱与反推力板的相对位置，使反推力板在气囊加压过程中保持原来位置不动，从而保持气囊压力不变，并防止气囊爆裂。

高压气囊6由黑色硫化橡胶模压制成，外呈棱柱形，胶膜厚度2mm。尺寸分为五种大小不同规格，每种规格又分为高压和低压两种。气囊压力的大小即为所计算出的施加应力的大小。

反推力板4由5mm和10mm厚度的钢板，按照所需要的形状弯折焊接而成，其上下左右均可以与相邻反推力板用螺栓相连，每个反推力板代表一个加载小区域，整个加载面被划分为有限个加载小区域，其内可以放置两个高低压不同的气囊，分别对模型两个主应力面加压，从而可施加不同方向和大小的应力。

空气压缩机，用于给高压气囊加压。

图4压力监测报警系统包括微型气压监测塞、指示灯、电源和控制开关，安装简单易行。微型气压监测塞可以感知高压气囊的压力变化，气囊压力低于额定值0.01Mpa就接通控制开关会引起灯光闪烁，从而可以及时补压。因此可保证压力在整个开挖试验期间应相对稳定。

Claims (4)

1.一种模型试验中离散化多主应力面加载方法，其特征在于：将加载面上需要模拟的复杂变化的主应力加载面，离散为有连续多个微小加载区域，用连续多个微小加载区域代替原来的主应力加载面；每个加载小区域安装反推力板，在反推力板内侧放置两个高低压不同的气囊，用空气压缩机为气囊充高压气，用于给试验模型施加压力，并认为每个加载小区域的单元应力场为一个等效的均匀应力场，并施加法向应力，其应力按如下方法计算：

(1)按应力实测值计算整个加载作用面上的应力等值线值；

(2)计算每个微小加载区域的等效应力值采用取中点值的方法或用以下公式计算：

根据每个微小加载区域的等值线值，由下式对该微小加载区域的面积进行积分计算所施加的等效应力：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\mathrm{ij}}=\underset{s}{\∫\∫}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{ds}/S$ 式中 σ_ij为该微小加载区域上所施加的等效应力；σ_ij为该微小加载区域上的应力等值线值；S为该微小加载区域的面积；

(3)每个小区都重复步骤(2)，即可得到整个加载面上所施加的等效应力。

2.一种实施如权利要求1所述方法的加载装置，其特征在于：该装置主要包括封闭式环形钢架(1)、支撑钢架(2)、垂直立柱(3)、千斤顶(5)以及由封闭式环形钢架和垂直立柱围成的放置试验模型的空腔(10)，将至少一个试验模型加载面离散成有限个加载小区域，每个加载小区域安装反推力板(4)，在所述反推力板内侧放置两个高低压不同的气囊(6)，反推力板后安装千斤顶，所述千斤顶固定在垂直立柱上。

3.按照权利要求2所述的加载装置，其特征在于：所述的反推力板是由连接平板和两块互相成直角且分别与两个主应力加载面相互平行的斜板组成。

4.按照权利要求2或3所述的加载装置，其特征在于在每个加载小区域的反推力板上安装有压力监测和报警辅助系统，该系统由微型气压监测塞(8)、指示灯(7)或/和蜂鸣器和电源控制开关(9)组成。