考虑横缝及库水压力模拟系统的拱坝振动台模型试验研究

摘要

随着我国经济技术的迅速发展，各行业对于能源消耗和需求量越来越大。水利发电是可再生的清洁能源，其越来越受到关注。拱坝作为利国利民的大型基础设施，坝体抗震安全是许多专家学者重点关注的问题。地震作用下横缝开合非线性及坝体和库水之间相互作用是影响坝体动力特性的重要因素，研究横缝和坝水作用对于进一步评价坝体抗震安全性能具有重要意义。 横缝在强震作用下存在开合现象，拱坝结构线弹性的基本假定和实际情况就不能符合，进而认为其地震反应是一个复杂的三维边界接触非线性动力问题。在横缝的数值模拟方面，其模型建立存在一些理想假定，假定不恰当将导致计算结果准确性得不到保障。此时，模型试验作为水工结构中另一种常用的分析手段，在此类问题的处理当中往往能起到至关重要的作用。本文首先进行了分缝拱坝和整体拱坝的空库动力模型试验，结果表明横缝对坝体振动特性及地震动响应存在影响，在拱坝抗震安全稳定性的研究中，不能忽略横缝作用。 由于振动台条件限制，模型几何比尺可选择范围较小，原型比模型尺寸通常在几十甚至几百。因此，要求模型材料具有较低的弹性模量和较高的密度使得坝体具有足够大的惯性力从而在合适的加速度下产生破坏。试验采用仿真混凝土作为模型材料，通过调节配合比使得材料具有低弹性模量和高密度等力学性能。根据动力模型试验相似理论，拱坝材料密度比尺等于库水密度比尺，模型试验中通常采用的自然水密度值不足，提供的静、动水压力偏低。针对试验中难以找到满足密度比尺的液体作为试验库水的问题，本文提出了以弹簧—附加质量的模拟系统来代替库水作用的解决方法。通过实测坝前动水压力分布曲线及多组预试验调节附加质量值，以压缩弹簧代替静水压力、附加质量提供的惯性力代替动水压力，逐步设计出一套模拟精度良好、可重复进行试验的库水压力模拟系统装置，在此基础上，进行拱坝振动台动力模型试验研究。 在课题组的两年专硕学习研究中，以某拱坝为研究对象，分析四种工况：分缝空库、整体空库、坝体—库水相互作用和坝体—库水模拟系统试验的坝体响应及裂缝破坏情况。结果表明：横缝对坝体地震动响应和拱梁之间破坏失效模式存在影响；模拟系统有较高的控制精度，可以将静、动水压力施加到坝体迎水面，在模拟系统作用以后，坝体的动力响应和破坏与空库存在区别；综述拱坝破坏情况，考虑横缝及库水压力模拟系统等因素共同作用，坝体中上部梁向破坏的失效模式符合拱坝损伤破坏的一般研究规律，认为本试验模拟方法可以作为一种研究手段去揭示坝体模型真实响应。

目录

声明

1 绪论

1.1 拱坝抗震的选题背景及研究意义

1.2 分缝拱坝的抗震研究现状

1.2.1 模型试验研究

1.2.2 数值模拟研究

1.3 坝面动水压力研究现状

1.4 模型试验相似理论研究现状

1.5 本论文的主要内容

2 模型材料试验研究及试验设备介绍

2.1 模型材料试验研究

2.1.1 模型材料的选取

2.1.2 仿真混凝土的组成

2.1.3 仿真混凝土的力学性能

2.2 试验设备介绍

2.2.1 地震模拟系统

2.2.2 测量及采集设备

2.3 本章小结

3 空库拱坝动力模型试验研究

3.1 模型试验设计

3.1.1 相似关系

3.1.2 横缝模拟及布置方案

3.1.3 传感器布置方案

3.1.4 地震波输入

3.2 分缝拱坝动力模型试验结果分析

3.2.1 模型基频

3.2.2 加速度分布情况

3.2.3 横缝开合分析

3.3 分缝拱坝损伤破坏分析

3.4 分缝和整体拱坝对比分析

3.4.1 模型基频

3.4.2 坝体损伤破坏分析

3.5 本章小结

4 配有库水模拟系统的分缝拱坝动力模型试验研究

4.1 坝水相互作用的动力模型试验

4.1.1 模型试验设计

4.1.2 传感器布置方案

4.2 库水模拟系统的设计

4.2.1 模拟目标动水压力曲线

4.2.2 静、动水压力值及附加质量

4.2.3 弹簧—附加质量系统

4.3 配有模拟系统的分缝拱坝动力试验研究

4.3.1 模型试验设计

4.3.2 传感器布置方案

4.4 模拟系统拱坝试验结果分析

4.4.1 库水压力模拟效果

4.4.2 模型基频

4.4.3 加速度分布情况

4.4.4 横缝开合分析

4.4.5 竖向地震激励对动水压力影响

4.5 模拟系统拱坝损伤破坏分析

4.6 空库与模拟系统工况拱坝对比分析

4.6.1 模型基频

4.6.2 拱冠梁顶加速度分布情况

4.6.3 横缝开合分析

4.6.4 坝体损伤破坏分析

4.7 拱坝模型破坏形式综述

4.7.1 不同研究方法的结论对比分析

4.7.2 相关研究结论分析

4.8 损伤破坏计算结果分析

4.9 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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