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1、结构模型破坏试验 一览l l与线弹性模型试验的关系与线弹性模型试验的关系l l破坏试验的目的破坏试验的目的 结构的安全度结构的安全度l l破坏试验的相似要求破坏试验的相似要求l l试验方法试验方法l l相似材料相似材料l l模型加载模型加载l l模型破坏阶段的判别模型破坏阶段的判别l l破坏形态的观察与描述破坏形态的观察与描述l l动力模型破坏试验一瞥动力模型破坏试验一瞥一、与线弹性模型试验的关系l l结构模型破坏试验，模型加载不限于弹性范围内，而将荷载继续加至结构模型破坏，即丧失承载能力为止。l l线弹性模型试验是研究结构在材料的线弹性范围内的力学行为，而破坏模型试验则研究结构在超过材料线弹
2、性范围、特别是在破坏阶段的力学行为。因此，在某种意义上可以说线弹性模型试验是破坏模型试验的开始阶段。二、破坏试验的目的1.1.研究结构本身的承载能力；2.2.研究结构的破坏形态及其发生和发展过程，即所谓破坏机理。是为了找出结构的薄弱部位，以便加以增强和改进。l l所以，为选择和确定设计方案，特别是采用新的设计方案或新的建筑材料时，进行结构破坏试验具有重要意义。三、结构的安全度l l结构的安全度，即安全系数结构的安全度，即安全系数结构破坏时的结构破坏时的外荷载与设计荷载之比。外荷载与设计荷载之比。结构破坏时的外荷载设计荷载根据相似理论，有根据相似理论，有模型荷载原型荷载模型设计荷载原型设计荷载模
3、型破坏荷载四、破坏试验的相似要求l l破坏试验除了应满足线弹性模型试验相似要求外还应满足以下几方面的相似要求：l l（1）模型与原型各部分应始终保持几何相似（C=1）。l l（2）模型与原型的材料强度完全相似 cm/cp=tm/tp=m/p=Cl l（3）模型和原型的材料的应力应变关系全过程相似。五、结构模型破坏试验方法1.1.超载法2.2.强度储备法3.3.综合法l1.超载法 是目前国内外普遍采用的一种试验方法。它认为由于某种原因超过了设计荷载一定程度后,致使结构物及地基遭到破坏。拱坝的破坏试验为例，采用这种方法进行的破坏试验,主要特点是坝体与地基岩体的容重及其力学参数均保持不变的条件下,在
4、正常运行水荷载的基础上,逐渐增大上游面的水容重m或逐步提高上游库水位,直至坝体或基岩破坏失稳为止。基岩体坚硬完整,又无软弱结构存在,采用超载法进行破坏试验是可行。l2.强度储备法 当作为在结构物上的外荷载超过设计荷载的比例一般是较小时，比较可能的情况是：（1）由于混凝土所采用的原材料未严格按设计要求选用，加之施工质量不好等原因，致使凝土标号低于设计标号，在水的浸蚀等因素影响下，导致强度进一步降低；（2）岩体内的软弱结构面或软岩层的强度，在工程投入运行后，随着时间推移，其强度会不断降低，一般是难以避免的。基于以上两点，便可能导致坝体结构破坏或失稳。l l由模型材料的设计强度和模型破坏时的实际强度
5、比值即可求得强度储备系数K，用以评定工程的安全性。在模型试验中，材料强度常以c、值控制，但因原型c 值一般较小,故模型c值将更小，一股忽略不计，虑,故一般只计tan=f的影响，用强度降低前后的摩擦系数值的比得到K。以拱坝为例，这种方法，是在保持坝体或坝基岩体自重及正常水荷载作用不变的情况下，引用强度储备的概念，不断降低材料的强度到最低，直至破坏为止。l l它不仅考虑了坝体受正常水荷载的作用，更主要它不仅考虑了坝体受正常水荷载的作用，更主要的是考虑了材料强度降低影响这一不可忽视的因，的是考虑了材料强度降低影响这一不可忽视的因，它是在超载法基础上发展起来的一种方法。它是在超载法基础上发展起来的一种
6、方法。l l 但是但是,要在同一模型上实现不断降低材料强度直要在同一模型上实现不断降低材料强度直至破坏的全过程，至破坏的全过程，更加困难。主要是是模型材料更加困难。主要是是模型材料不好解决，不好解决，若要进行这种试验若要进行这种试验,则要改变一次力则要改变一次力学参数，相应地作一个模型，这就要作多个模型学参数，相应地作一个模型，这就要作多个模型才能得出强度储备系数值，工作量太大，才能得出强度储备系数值，工作量太大，难以满难以满足工程进度要求，足工程进度要求，这也正是当前国内外一般仍采这也正是当前国内外一般仍采用超载法的根本原因之一。当当当，变温相似材用超载法的根本原因之一。当当当，变温相似材料
7、系列出炉。料系列出炉。l l强储法考虑了正常荷载强储法考虑了正常荷载,但念及可能的超载因素影但念及可能的超载因素影响响,这也是本法的不足之处这也是本法的不足之处 。l l综合法超载与强度储备法相结合 前述两种方法是各自从单一因素考虑去进行破坏试验，均有其不足之处。因此，将两种可能出现的因素综合起来进行试验，必然更为全面。l由两种因素分别求得超载系数K1 及强度储备系数K2，最后由下式求得综合安全系数K。变温相似材料 +综合法 新材料出来前绝配！六、相似材料l l上一点我们提到了高帅富材料变温相似材料。其实，严格地说几乎所有的材料都可以作为破坏试验的模型材料，常用的相似材料有微粒混凝土、水据浮石
8、混合材料、石膏复合材料等。目前国内最常用的是石膏混合材料。上几节课已经讨论，不再赘述。七、模型加载l l破坏模型的加载设备与线弹性模型试验相同.也可采用油压干斤顶系统、杠杆或堆载等.l l对脆性模型材料而言，结构按其破坏阶段可分为裂纹出现(K1)和最终破坏(K2)两种情况。对后一种情况比较较易判别，即荷载已不能再继续增加，而同时位移又突然大量增低，这说明结构已完全丧失承载能力，即结构已最终破坏。在达到K 1 时，结构开始出现裂纹，由于荷载仍可继增加，故不易从荷载变化来判断。八、模型破坏阶段的判别l l我们从应变和位移的变化规律来进行分析：当结构开始出现裂纹时，其附近的应变片的应变值会产生突变，
9、如图所示：图：出现裂缝时附近电阻应变片应变变化曲线l l第种情况说明裂纹穿过应变片中间A 点为开始破裂点。l l第种情况说明裂纹发生在应变片附近，此时对该应变片而言有如应力释放.即应变值向相反方向突变，因此B 点可视为开始破裂点。图：荷载位移变化曲线图OA 段为结构常工作阶段A-B 段为结构开裂阶段B后可以认为结构已破坏。l l上述方法必须在模型上有足够数量的应变测点或位移测点，且应变测点尽量设置在估计可能开裂的部位上，这样才能有足够的资料来进行分析判断。九、破坏形态的观察与描述l l结构模型破坏试验的一个重要目的是通过试验确定结构的破坏形态，这包括破坏部位以及破坏发生发展的过程。因此对破坏试
10、验而言，用肉眼或通过必要设备(照相机、摄像机、高速摄影机等在试验过程中进行观察并加剧描述就显得十分重要，.同时，在试验结束拆模时，还应对模型的破坏和变形情况进行观察、记录、描述。为了描述的方便，有时可事先在模型表面画上小方格网。第二部分 动力结构模型破坏试验浅尝l l结构动力模型试验的目的主要是评价结构的抗震结构动力模型试验的目的主要是评价结构的抗震性能性能,不仅要了解原型的弹性反应不仅要了解原型的弹性反应,更重要的是了更重要的是了解原型破坏时的行为以确定其抗震性能。许多大解原型破坏时的行为以确定其抗震性能。许多大地震的震害表明地震的震害表明,在强烈地面运动的作用下在强烈地面运动的作用下,即使
11、即使混凝土大坝这样的实体结构混凝土大坝这样的实体结构,它的某些部位的振动它的某些部位的振动也会超出弹性界限进入塑性范围甚至开裂。因此也会超出弹性界限进入塑性范围甚至开裂。因此,为了更好地估计结构在地震作用下的可靠性为了更好地估计结构在地震作用下的可靠性,就必就必须进行弹性以外的动力模型破坏试验。由于影响须进行弹性以外的动力模型破坏试验。由于影响结构动力破坏的因素很多结构动力破坏的因素很多,保持模型与原型间的相保持模型与原型间的相似性比较困难似性比较困难,并且需要更严格的相似关系。并且需要更严格的相似关系。1、模型破坏试验的相似条件l l在模型上进行破坏试验时，不仅要求在弹性阶段在模型上进行破坏
12、试验时，不仅要求在弹性阶段模型的应力和变形状态与原型相似，同时要保证模型的应力和变形状态与原型相似，同时要保证在超出弹性阶段后一直到破坏为止，模型的应力在超出弹性阶段后一直到破坏为止，模型的应力和变形状态也与原型相似。破坏试验需要以下四和变形状态也与原型相似。破坏试验需要以下四种相似条件：种相似条件：（1 1）内力）内力-重力重力-惯性力惯性力-面力相似面力相似 弹性模型试验弹性模型试验,可以将各种荷载分别进行试验，可以将各种荷载分别进行试验，将结果叠加即可。当结构进入非线性阶段后，叠将结果叠加即可。当结构进入非线性阶段后，叠加原理失效，因此必须在模型中模拟全部荷载，加原理失效，因此必须在模型
13、中模拟全部荷载，包括各种静力荷载和动力荷载。为了使结构的变包括各种静力荷载和动力荷载。为了使结构的变形过程相似，必须满足内力形过程相似，必须满足内力-重力重力-惯性力惯性力-面力相面力相似。似。（2）应力-应变曲线相似l l 超出材料的弹性范围以后，材料的应力-应变特性就不能再用常数E来描述，而必须由完整的应力-应变曲线来体现。这样，为了达到破坏相似，原、模型的应力-应变曲线应该保持相似。l l 另外，在不同的加载速率下，材料的应力一应变曲线是不一样的，为了保证地震作用下的破坏相似，还必须满足不同加载速率下的应力一应变曲线相似。（3）累积损伤曲线相似l l在随机荷载作用下结构主要有两种破坏形式
14、，一种是首次偏移破坏；一种是疲劳破 坏。地震时的地面运动通常是由小到大，然后再由大到小，即使结构属于首次偏移破坏，一般也在若干次振动之后，在首次偏移破坏之前，己经包含疲劳累积的因素。因此，为了使原、模型在随机荷载作用下破坏相似，必须满足原、模型材料的累积损伤相似。（3）断裂特性相似l l从理论上推测，,假如能满足上述要求，那么在原、模型上应该可以实现破坏相似。但是要寻找一种模型材料，使满足所有上面的要求是非常困难的事，因此要根据试验目的的不同而放宽一些限制条件，达到对原型破坏近似模拟的目的。2、设备l l地震模拟振动台可以很好地再现地震过程和进行人工地震波的试验，它是在实验室中研究混凝土坝地震反应和破坏机理最直接的方法。地震模拟振动台还可以用于混凝土坝动力特性、抗震性能研究以及检验混凝土坝抗震理论和工程措施等内容。因此，它已逐步成为目前结构工程抗震研究中的重要手段之一。