水工結構靜力模型試驗

水工結構靜力模型試驗(Hydraulic structure static model test)是指通過以相似原理製作的模型和施加的靜荷載來研究水工結構物及其地基在靜荷載作用下的靜力性能、破壞機理及安全度等問題的試驗，又稱靜態結構模型試驗。

基本介紹

• 中文名：水工結構靜力模型試驗
• 外文名：Hydraulic structure static model test
• 學科：水利工程
• 領域：工程技術

簡介

水工結構靜力模型試驗(Hydraulic structure static model test)是指通過以相似原理製作的模型和施加的靜荷載來研究水工結構物及其地基在靜荷載作用下的靜力性能、破壞機理及安全度等問題的試驗，又稱靜態結構模型試驗。

試驗時，在模型上施加由相似理論換算而得的相應荷載，然後觀測模型中所出現的力學現象，並將它們換算至原型，從而預測在原型結構及地基中將要發生的力學現象。

力學特性及其所處階段

水工結構靜力模型試驗按材料的力學特性及其所處階段，可分為兩類:

一類是以彈性力學的基本假定為前提，用線彈性材料製作模型，用以研究結構及其地基在彈性階段的應力狀態。此類模型試驗稱彈性應力模型試驗或簡稱應力模型試驗。

另一類是以彈塑性力學的基本假定為前提，用合適的彈塑性材料製作模型，研究結構及其地基由彈性階段到達塑性階段直至破壞的全過程的各階段工作狀態。水工結構靜力模型試驗按量測方法亦可分為兩類:

一類為電測法 ，另一類為光測法。電測法最常用的是在模型表面貼上電阻應變片。模型受荷後，通討應查片量測到模型表面所產生的應變，即可按力學方程計算出模型表面的應力，從而推求出結構原型的表面應力。同理，如把應變片埋於模型內部，則可測出結構內部的應變並求出其應力。近代由於各種電測感測器發展很快。擴大了電測法在結構模型試驗中的套用範圍，在位移、壓力、荷載、溫度和裂縫脹變等項目的量測中，都可使用電測感測器，井與試驗數據的採集和處理的自動化量測系統相連線。光測法中套用較廣的是偏光彈性試驗，其他還有散斑干涉法、雲紋法及全息攝影等方法，20世紀末研究利用光導纖維量測模型中的應變、溫度等，其量測精度高，受環境影響少，具有較好的發展前景。

加荷方法

水工結構靜力模型試驗的加荷方法有：液壓、氣壓、千斤頂組和砝碼槓桿載入系統等。其中千斤頂組加荷多用於結構破壞模型試驗。模型材料的研究和選擇是模型試驗中一項比較重要的工作，往往要進行比較多的工作量才能確定合適的模型材料。它們通常應具有質地均勻、各向同性的性質，並能滿足物理力學性能穩定、力學指標可調範圍大、易於成型和加工、安全經濟等要求。選擇模型材料。要根據所要模擬的結構及其基礎的物理力學性能，首先選擇模型材料的品種，其次是選擇具有某一確定力學指標的具體材料。常用的模型材料有：石膏、石膏硅藻土混合材料、水泥浮石混合料。重品石粉混合料，其他還有有機玻璃、環氧樹脂等。模型材料的製備亦有不同的方法，有預製毛坯再加工成形的、自現撓的，亦有用機械加壓成型的。

發展歷程

20世紀初，J.S.威爾遜開始用橡膠模擬重力壩和地基進行結構應力模型試驗。1930年美國墾務局用石膏硅藻士製作了當時世界最高的胡佛壩的結構模型試驗。1947年和1951年，葡萄牙里斯本國家土木工程研究所(LNES)和義大利貝加莫模型和結構試驗所(ISMES)相繼成立。前者以用小比例尺、後者以用大比例尺的模型而聞名於世。隨後，其他國家也開展這方面的研究工作。中國在20世紀50年代中期開始進行水工結構的靜力模型試驗，20世紀60年代以後有了較大的發展。較高大的拱壩或地基條件較複雜的混凝土壩等水利工程一般都要進行結構模型試驗。