帶橫縫高混凝土拱壩動(dòng)力模型試驗(yàn)研究

楊 迅 朱 彤

(1.北京中核四達(dá)工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京 100038； 2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

我國(guó)西南地區(qū)水能豐富，高混凝土拱壩大多建于此，但是此地區(qū)為地震頻發(fā)區(qū)域，因此高混凝土拱壩的抗震安全研究具有十分重要的意義。振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型試驗(yàn)是研究大壩抗震安全的重要手段，通過地震動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，我們可以分析模型的動(dòng)力響應(yīng)，可以很直觀的觀察到損傷破壞位置，再根據(jù)相似理論推算到原型結(jié)構(gòu)[1-3]，同時(shí)和數(shù)值模擬計(jì)算互為驗(yàn)證。由于壩體內(nèi)應(yīng)力分布以及溫度控制等原因，高混凝土拱壩通常設(shè)有橫縫，而這些橫縫面抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，在地震荷載作用下易損傷，從而使拱壩內(nèi)力重分布，進(jìn)而影響大壩的抗震性能，因此進(jìn)行分縫拱壩抗震研究是十分必要的。

通過在大連理工大學(xué)水下振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)力模型試驗(yàn)，研究帶橫縫高混凝土拱壩在地震荷載作用下的動(dòng)力特性，并分析了與整體拱壩動(dòng)力特性的異同點(diǎn)。本文可為高混凝土拱壩的抗震研究和抗震設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)基本情況

模型材料選用大連理工大學(xué)研制的仿真混凝土，該材料具有與混凝土相似的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、容重大、抗拉強(qiáng)度低、便于成型和加工制作等特點(diǎn)，可以較好的模擬結(jié)構(gòu)從彈塑性到最終破壞全過程[4]。

地震波的加載方案：1)輸入白噪聲測(cè)定帶橫縫拱壩模型的動(dòng)力特性；2)輸入EI波，逐級(jí)提高加速度直至模型破壞。

模型設(shè)置兩道橫縫，橫縫、加速度傳感器和應(yīng)變片的布置見圖1。

2 試驗(yàn)分析

2.1 基頻及加速度

表1為模型拱壩基頻隨輸入地震加速度變化情況，由表1可知，當(dāng)振動(dòng)臺(tái)輸入加速度較小時(shí)，模型壩體的基頻降低也很明顯。表2列出了3號(hào)、6號(hào)及7號(hào)加速度傳感器在各工況下的數(shù)值，分別對(duì)應(yīng)壩頂拱冠梁處、山體頂部及振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面處的加速度。圖2為拱壩壩頂處的加速度分布情況[5]。

表1 基頻

表2 臺(tái)面及壩體加速度 g

2.2 應(yīng)變

表3為各測(cè)點(diǎn)在各工況下的拉應(yīng)變值。圖3為各測(cè)點(diǎn)的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變隨振動(dòng)臺(tái)加載級(jí)別遞增的變化趨勢(shì)圖。由圖3可見，高混凝土拱壩的拉壓應(yīng)變最大值在拱冠梁的中下部。

表3 拉應(yīng)變 10e-6

2.3 損傷破壞形態(tài)

圖4為帶橫縫拱壩模型的破壞形態(tài)[5]。與整體拱壩模型試驗(yàn)相比，帶橫縫拱壩破壞形態(tài)有明顯的不同。整體拱壩的抗震薄弱部位通常在拱冠上部，而該分縫拱壩模型裂縫起裂部位在橫縫以及拱冠的下部。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)輸入加速度為0.57g時(shí),橫縫明顯張開。隨著輸入地震波加速度的增大，拱壩下部裂縫沿水平方向向兩邊發(fā)展，最終和兩條橫縫相交。

3 結(jié)語

1)相比較整體拱壩，帶橫縫拱壩基頻低，并且在較低的地震荷載作用下也有較明顯的降低。

2)在彈性振動(dòng)范圍內(nèi)，分縫拱壩壩頂?shù)募铀俣入S輸入地震加速度的增加而增加，其中壩中拱冠處加速度最大，向兩側(cè)壩肩逐漸減小，這點(diǎn)和整體拱壩相似。

3)分縫拱壩的抗震薄弱部位位于拱冠梁中下部以及橫縫附近，而整體拱壩的抗震薄弱部位通常在拱冠梁上部區(qū)域。

4)本文未考慮庫(kù)水與大壩的相互作用。