基于振动台上的坝体-库水耦合动力模型试验的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及基于振动台上的巧体-库水禪合动力模型试验的设计方法，属于水工 结构工程与模型试验研究领域。
【背景技术】
[0002] 地震作用下上游库水及巧体相互的动力作用对巧体自身的动力响应有着重要的 影响。在振动台上进行巧体-库水禪合地震动力模型试验的难点在于方各方面；一是模型 材料的选择；动力模型试验时，需根据试验要求、振动台的特性对巧体模型根据相似比尺对 原型巧体进行缩小。再将原型巧体几何尺寸缩小的同时，其制作巧体模型的材料的力学特 性，如强度、弹模，也需要按照相似理论被降低。第二个难点是巧体-库水动力禪合系统中 上游库水的模拟。一般情况下上游库水作用采用在巧体上游面放置一个水箱模拟，但是模 型材料及巧体模型与水箱的接触面很难保证不漏水。还有，如何用一个有限尺寸的水箱来 模拟巧体上游无限域水库也是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了基于振动台上的巧体-库水禪合动力模型试验的设计方法，本试验 的设计方法能够用于研究地震作用下上游库水对巧体动力响应的影响，并解决了试验过程 中模型材料及巧体模型与水箱接触面的漏水问题，W及解决了用一个有限尺寸的水箱来模 拟巧体上游无限域水库及巧体上游面动水压力测试的问题。
[0004] 本发明基于振动台上的巧体-库水禪合动力模型试验的设计方法是该样实现的： 所述基于振动台上的巧体-库水禪合动力模型试验的设计方法的具体步骤如下：
[0005] Stepl、根据原型大巧水工设计图纸和振动台几何尺寸及承载能力，运用相似理论 设计出二维模型巧体巧段的各部位几何尺寸及各个相关监测设备的布置方案，见图1;
[0006] St巧2、根据相似比尺理论及步骤St巧1中设计的原模型巧体几何比尺，确定模型 材料所需要具备的密度、弹性模量及泊松比等主要物理力学参数，W此来确定仿真模型材 料的配比和养护龄期；
[0007] Step3、利用预制好的模型巧体钢模具，在振动台上采用步骤Step2中确定的仿真 模型材料诱筑步骤Stepl中设计的巧体模型，并在诱筑模型巧体过程中根据步骤Stepl中 设计的各个相关监测设备的布置方案（如图1)来预埋各测试仪器；记录好模型诱筑完成时 间，预算出养护龄期、拆模时间及振动试验时间，拆模后的动力试验巧体模型，如图2 ;
[000引Step4、巧体模型初凝拆模后，将水库的模拟装置，采用水箱，吊装至模型巧体上游 侦U，靠巧体侧水箱的侧壁被取消后W模型巧体挡水时，要保证水箱内隔水塑料袋与模型巧 体上游面紧密接触，W保证水箱内水体能够模拟出原型巧体上游库水的作用；
[0009] steps、在水箱内远离模型巧体的一端放置一个模拟无限远水库库尾消能装置，如 图1，用于避免地震动力试验时远离巧体一端的水箱壁产生水波回弹效应；
[0010] steps、模型巧体和模拟水库装置的水箱组装完毕之后，对模型巧体上游迎水面的 塑料薄膜穿孔，使布置于模型巧体上游表面的水压力传感器的测压膜片与水箱中的水体充 分接触，W便测得不同试验工况下模型巧体不同部位的压力值，如图5;
[0011] Step7、各个试验测试仪器设备安装、连接完毕之后，开始模型巧体地震动力模拟 试验，先进行空库振动试验，再向水箱中注满水，进行满库工况下的地震动力模型试验；现。 得模型巧体上游面动水压力、关键部位应变、沿巧体高程时程加速度及位移等关键数据。
[0012] 所述步骤St巧2中，采用由河砂、矿石粉、水及水泥制成的低弹模、低强度的模型 材料来制作巧体模型，用于满足模型试验的相似比尺要求，在材料中添加铅粉配重用于满 足模型密度比尺要求。
[0013] 所述步骤Step4中，模型巧体与上游水库即水箱采用软件连接方式模拟，使得地 震动力试验时使巧体-库水系统禪合起来，模拟出地震时上游库水对巧体的相互作用。
[0014] 所述步骤steps中，所述库尾消能装置是由木条做成框架，迎水面方向依次布置 四层渔网，如图4所示，振动试验时箱内水体震荡产生的水波会被该四层效能网吸收，用于 解决振动试验过程中水波在水箱远端挡板回弹效应，模拟了无限远库水效应。
[0015] 所述Step6中，为使预埋在模型巧体上游表面的水压力传感器能够准确测得数 据，则对附在巧体上游表面的塑料薄膜穿孔并用螺丝固定，加橡皮垫W防漏水，如图5所 /J、- 〇
[0016] 所述步骤Step2中，根据原型与模型几何比尺确定模型材料的物理力学参数比尺 方法如下：
[0017] 线弹性条件下，根据弹性力学中的几何方程物体受荷变形时满足应变e、位移U 及物体尺寸1的关系为e=U/1，所W原型与模型的几何比尺要满足：
[001 引 入u=Ae/入1 (1)
[0019] 因为应变e为无量纲的，原型与模型要保证严格几何相似，那么就要使A。= 1， 可导出入U二入1。
[0020] 另由弹性力学物理方程0 =De可知原型与模型材料的弹模E、泊松比y、应变 e及应力0的相似比尺应满足：
[0021] 人，=1 (2)
[0022] 入。=A。入E 做
[0023] 结构受荷一般为面力P，集中力F，力矩M，由物体应力表示面力的边界条件关系： Pi二 0ijD(I，j二 1，2,扣，得出：
[0024]入。=入P(4)
[0025] 进而得出集中力及力矩的相似比尺：
[0026]
(5)
[0027] 根据牛顿第二运动定律F=am,得出原型与模型惯性力与弹性恢复力相似，即可 得：
[002引
（6)
[0029] 根据结构加速度与位移及时间的关系，可得出：
[0030]
(7)
[003U根据式（1)、（3)、巧）、做及（7)可得出：
[0032]
(8)
[003引在模型的设计中要保证振动惯性力与重力的比例相同，则结构的加速度比尺与重 力比尺相同：
[0034]
(9)
[0035] 由于原型与模型位于同一个重力场内，所WAg=1，再根据A。=1，则时间比尺 为：
[0036]
(10)
[0037]在试验中要同时满足弹性恢复力比尺做和重力相似比尺（10)，即弹性-重力相 似要求：
[0038]入i=Ae/入P(11)
[0039] 因此，当原型与模型的几何比尺及密度比尺确定之后，其他物理关系比尺均可导 出。
[0040]所述步骤steps中，防止水波回弹效应的库尾消能装置是由木条做成框架，迎水 面方向依次布置四层渔网，振动试验时箱内水体震荡产生的水波在水箱尾部会被该四层效 能网吸收，如图4 ;
[0041]所述步骤Step6中，为使巧体上游表面水压力传感器测得动水压力值，需将水箱 的隔水塑料薄膜在相应测点位置穿一个小洞，使水压力传感器测头由小洞穿出，垫上橡皮 垫，再用螺丝梓紧，保证传感器测点边缘不漏水，又能测得数据。
[0042]模型巧体上游水箱的设计时，有=个特点：一是取消长矩形水箱与模型巧体上游 面相接触一端的侧壁，W模型巧体上游面作为挡水侧壁，W便水箱内的水体与模型巧体上 游面充分接触，形成巧体-库水禪合模拟系统；二是水箱内放置一个与其内部尺寸相一致 的特制薄塑料袋，W保证水箱内充满水时不漏水，起到隔水作用，并且水箱可W用角钢作为 框架，W薄木板做箱壁。该样的设计不但节省造价，还能减轻水箱自重，试验时易于搬运；= 是为了模拟水库的无限水域和减少系统振动时模型巧体对面箱壁对水波的反射作用，本系 统设计一个振动时能够吸收水波的消能装置放于水箱内离模型巧体的最远端，W消除水波 撞击模型巧体对面箱壁产生的能量；
[0043]本发明的工作原理是：根据相似理论确定模型巧体尺寸及模型材料各个物理力学 特性。采用在内部放置薄塑料袋的水箱模拟巧体上游水库，解决了试验时模型材料及模型 巧体与水箱连接处漏水的问题，用模型巧体上游面取代水箱一端侧壁挡水，模拟上游库水 对巧体的作用。在测量动水压力时，防水塑料薄膜在相应测点位置穿一个小洞，使传感器测 头由小洞穿出，垫上橡皮垫，用螺丝梓紧，保证水压力传感器测点边缘不漏水，又能测得数 据。为使水箱能够模拟无限域的库水效应，在水箱内远离模型巧体的一端放置一个