一种拱坝缩尺模型集中式等效循环往复加载试验装置

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，特别涉及一种拱坝缩尺模型集中式等效循环往复加载试验装置。

背景技术

我国的水资源和水能资源大多集中在高坝大库，这些大中型水利枢纽作为国家的重要基础设施，对经济建设和维护社会稳定具有重要作用。拱坝结构就是一种极其重要的水利工程挡水设施，随着近些年国家对水利设施的重视，关于拱坝结构的研究也越来越引起重视。

拱坝缩尺模型试验是目前拱坝结构安全性能研究的主要手段之一，其结果对分析评价拱坝结构安全性能有着重要的参考依据和价值。我国拱坝结构多建于西南峡谷地区，地震烈度较高，因此拱坝承受的地震作用(本质上是循环往复荷载)是拱坝结构的重点研究荷载。现有对拱坝结构地震作用下破坏过程及其机理主要采用振动台试验，但是振动台模型试验耗费经费和时间巨大，极大得限制了其开展。拱坝在地震等循环往复荷载作用下的破坏形态及其机理可通过循环往复加载试验来模拟，但目前尚无关于拱坝结构在循环往复荷载作用下的试验装置与方法的研究，这些问题限制了拱坝结构相关科研进程与进展。

因此，亟需开发一种拱坝缩尺模型集中式等效循环往复加载试验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种拱坝缩尺模型集中式等效循环往复加载试验装置，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种拱坝缩尺模型集中式等效循环往复加载试验装置，包括两组荷载分配架、若干组往复加载支座、轴向中空钢梁、加载头、双向拉压千斤顶和反力墙。

拱坝缩尺模型夹设在两组荷载分配架之间。每组荷载分配架均包括分配主板和若干组分配联板。所述分配主板端面设置有与拱坝缩尺模型相契合的曲面。两块分配主板的板端分别贴敷在拱坝缩尺模型的上游侧和下游侧。所述分配主板的板面与水流方向平行。每组分配联板包括对称布置在分配主板板面两侧的两块联板。所述分配联板的板面与分配主板垂直。两块分配主板使用钢筋拉结固定。

所述轴向中空钢梁整体为长方体。所述轴向中空钢梁侧壁分别记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述轴向中空钢梁上设置有贯穿第二侧壁和第四侧壁的滑动槽Ⅰ。所述轴向中空钢梁的第三侧壁上设置有滑动槽Ⅱ。所述滑动槽Ⅱ与滑动槽Ⅰ连通。所述轴向中空钢梁布置在上游侧。所述轴向中空钢梁的长度方向与分配主板平行。所述轴向中空钢梁的第一侧壁面向荷载分配架。

每组往复加载支座包括两块牵引板和加载支座。所述牵引板的一端嵌固在分配联板中，另一端的板面上设置有滑动槽Ⅲ。所述加载支座包括两个中空圆柱体。一个中空圆柱体容置在滑动槽Ⅰ中，另一个中空圆柱体布置在第一侧壁外侧。两个中空圆柱体的端部对应通过连接板连接。所述两块连接板分别贴敷在第二侧壁和第四侧壁。两块牵引板分别设置在第二侧壁和第四侧壁外侧。所述牵引板外侧设置有卡止板。所述牵引板夹设在卡止板和连接板之间。螺栓依次穿过第二侧壁位置处的卡止板、第二侧壁位置处的牵引板的滑动槽Ⅲ、第二侧壁位置处的连接板、中空圆柱体的内腔、第四侧壁位置处的连接板、第四侧壁位置处的牵引板的滑动槽Ⅲ和第四侧壁位置处的卡止板。螺栓的端部旋入螺母。螺母将卡止板、牵引板、连接板与中空圆柱体压紧。所述加载支座可沿滑动槽Ⅰ滑动。所述螺栓可沿滑动槽Ⅲ滑动。

所述反力墙布置在上游侧。所述反力墙与轴向中空钢梁之间布置有双向拉压千斤顶。所述轴向中空钢梁与双向拉压千斤顶通过加载头连接。所述加载头的一端设置有螺纹段，另一端顶抵双向拉压千斤顶。所述加载头的螺纹段穿过滑动槽Ⅱ容置在滑动槽Ⅰ后旋入螺母。所述加载头可沿滑动槽Ⅱ滑动。

工作时，控制双向拉压千斤顶对拱坝缩尺模型进行循环往复加载。

进一步，还包括固定夹紧端。所述固定夹紧端为半包围结构。所述固定夹紧端包覆在分配主板的板端。钢筋穿过分配主板和固定夹紧端后旋入螺母。

进一步，还包括用于固定双向拉压千斤顶的固定架千斤顶支架。

进一步，所述加载头和双向拉压千斤顶之间布置有荷载传感器。

进一步，所述荷载分配架采用木材、塑料或橡胶材料制得。

进一步，所述反力墙为钢筋混凝土墙体。

进一步，所述拱坝缩尺模型采用微粒混凝土浇筑而成。

进一步，所述拱坝缩尺模型为实际水利工程拱坝结构的整体缩尺模型。所述拱坝缩尺模型包括拱坝坝体和两侧的坝肩基岩。所述拱坝坝体作为拦河建筑物。所述拱坝坝体的两侧拱端与坝肩基岩相接。

进一步，所述拱坝缩尺模型为实际水利工程拱坝结构的拱冠梁缩尺模型。

进一步，所述拱坝缩尺模型为实际水利工程拱坝结构的拱圈梁缩尺模型。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.设计思路简单明确，荷载加载装置选用两块“丰”字型荷载分配架夹持拱坝缩尺模型，并将拱坝承受的分布式面荷载转化为若干等效线荷载，使用牵引板、轴向中空钢梁、双向拉压千斤顶施加低周反复荷载；装置保证试验结果可靠性的同时极大得简化了加载装置的布置、安装与成本，解决了现有拱坝缩尺模型加载装置带来的占用空间大、拱坝表面布设传感器困难的问题；

B.结构简单，安装方便，使用方法易操作，可以随时组装，也可整体运输。此外，占用空间小，拱坝缩尺模型表面占用面积小，可用来布设监测传感器，对节省实验空间，提高拱坝缩尺模型试验效率有重要作用和意义；

C.可以开展拱坝的拟静力(循环往复加载)和拟动力(以特定频谱模拟地震反复作用)等相关抗震性能试验，极大得填补和解决了现有拱坝试验系统存在的空缺和问题；

D.牵引板、加载支座和加载头具有可滑动的特性，通过滑动调整其位置可以施加任意大小和位置的荷载，该装置仅通过简单的设计即克服了现有加载装置部件繁杂且加载不便的困难。

附图说明

图1为实施例7等轴侧视图；

图2为实施例7主视图；

图3为实施例7俯视图；

图4为实施例7左视图；

图5为实施例7右视图；

图6为实施例7拱坝缩尺模型、荷载分配架、固定夹紧端、牵引板、加载支座、轴向中空钢梁和加载头连接详图；

图7为实施例7牵引板、加载支座与轴向中空钢梁连接详图；

图8为实施例8等轴侧视图；

图9为实施例8主视图；

图10为实施例8俯视图；

图11为实施例9等轴侧视图；

图12为实施例9俯视图；

图13为实施例9主视图。

图中：拱坝缩尺模型1、荷载分配架2、固定夹紧端3、牵引板4、加载支座5、轴向中空钢梁6、加载头7、荷载传感器8、双向拉压千斤顶9、千斤顶支架10、反力墙11、连接件12。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

基于当前拱坝缩尺模型循环往复荷载试验存在的问题与缺陷，亟需提出一种能够等效模拟拱坝承受的循环往复荷载作用且能够较少占用拱坝缩尺模型表面空间和试验空间的试验加载装置。一种拱坝缩尺模型集中式等效循环往复加载试验装置，包括两组荷载分配架2、若干组往复加载支座、轴向中空钢梁6、加载头7、双向拉压千斤顶9和反力墙11。

拱坝缩尺模型1夹设在两组荷载分配架2之间。每组荷载分配架2均包括分配主板和若干组分配联板。所述分配主板端面设置有与拱坝缩尺模型1相契合的曲面。两块分配主板的板端分别贴敷在拱坝缩尺模型1的上游侧和下游侧。所述分配主板的板面与水流方向平行。每组分配联板包括对称布置在分配主板板面两侧的两块联板。所述分配联板的板面与分配主板垂直。两块分配主板使用钢筋拉结固定。

所述轴向中空钢梁6整体为长方体。所述轴向中空钢梁6侧壁分别记为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述轴向中空钢梁6上设置有贯穿第二侧壁和第四侧壁的滑动槽Ⅰ。所述轴向中空钢梁6的第三侧壁上设置有滑动槽Ⅱ。所述滑动槽Ⅱ与滑动槽Ⅰ连通。所述轴向中空钢梁6布置在上游侧。所述轴向中空钢梁6的长度方向与分配主板平行。所述轴向中空钢梁6的第一侧壁面向荷载分配架2。

每组往复加载支座包括两块牵引板4和加载支座5。所述牵引板4的一端嵌固在分配联板中，另一端的板面上设置有滑动槽Ⅲ。所述加载支座5包括两个中空圆柱体。一个中空圆柱体容置在滑动槽Ⅰ中，另一个中空圆柱体布置在第一侧壁外侧。两个中空圆柱体的端部对应通过连接板连接。所述连接板面向中空圆柱体的一侧板面上设置有卡位块，起到固定加载支座位置的作用。所述两块连接板分别贴敷在第二侧壁和第四侧壁。两块牵引板4分别设置在第二侧壁和第四侧壁外侧。所述牵引板4外侧设置有卡止板。所述牵引板4夹设在卡止板和连接板之间。螺栓依次穿过第二侧壁位置处的卡止板、第二侧壁位置处的牵引板4的滑动槽Ⅲ、第二侧壁位置处的连接板、中空圆柱体的内腔、第四侧壁位置处的连接板、第四侧壁位置处的牵引板4的滑动槽Ⅲ和第四侧壁位置处的卡止板。螺栓的端部旋入螺母。螺母将卡止板、牵引板4、连接板与中空圆柱体压紧。所述加载支座5可沿滑动槽Ⅰ滑动。所述螺栓可沿滑动槽Ⅲ滑动。

所述反力墙11布置在上游侧。所述反力墙11与轴向中空钢梁6之间布置有双向拉压千斤顶9。所述轴向中空钢梁6与双向拉压千斤顶9通过加载头7连接。所述加载头7的一端设置有螺纹段，另一端顶抵双向拉压千斤顶9。所述加载头7的螺纹段穿过滑动槽Ⅱ容置在滑动槽Ⅰ后旋入螺母。所述加载头7可沿滑动槽Ⅱ滑动。

工作时，控制双向拉压千斤顶9对拱坝缩尺模型1进行循环往复加载。

本实施例的目的就在于提出一种原理简单明确、用材成本低廉且能等效模拟拱坝承受循环往复荷载并节约拱坝缩尺模型表面空间与试验空间的加载装置及其使用方法。本实施原理简洁明确，用材成本低廉，整体结构简单，安装方便，使用方法易操作，能够等效模拟拱坝结构所承受的循环往复荷载作用，并极大得节省实验空间，提高试验效率。

实施例2：

本实施例主要结构同实施例1，其中，还包括固定夹紧端3。所述固定夹紧端3为半包围结构。所述固定夹紧端3包覆在分配主板的板端。钢筋穿过分配主板和固定夹紧端3后旋入螺母。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例1，其中，还包括用于固定双向拉压千斤顶9的固定架千斤顶支架10。所述的反力墙11是一面按照合适间距布置贯穿圆孔的钢筋混凝土墙体，并在墙体两端设有直角三角形支撑辅墙。所述的千斤顶支架10是由钢板和钢条焊接而成的一面开放的箱型结构，并在开放面对立面的钢板上插入并焊接四根铁棍，四根铁棍的分布与反力墙11上的定位孔位置相对应。所述的千斤顶支架10用螺栓和螺母等连接件12穿过反力墙11的预设圆孔后固定在合适位置。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例1，其中，所述加载头7和双向拉压千斤顶9之间布置有荷载传感器8。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例1，其中，所述荷载分配架2采用木材、塑料或橡胶材料制得。

实施例6：

本实施例主要结构同实施例1，其中，所述拱坝缩尺模型1采用微粒混凝土浇筑而成。将水、水泥和沙子按照设计比例配制成微粒混凝土浇入模具后浇筑成拱坝缩尺模型1。

实施例7：

本实施例主要结构同实施例1，其中，参见图1～图7，所述拱坝缩尺模型1为实际水利工程拱坝结构的整体缩尺模型。所述拱坝缩尺模型1包括拱坝坝体和两侧的坝肩基岩。所述拱坝坝体作为拦河建筑物。所述拱坝坝体的两侧拱端与坝肩基岩相接。在拱坝坝体两侧设有扩大端，在拱肩上开有槽口，待拱坝坝体与坝肩成型后，将拱坝坝体两端的扩大端分别插入拱肩的预设槽口，并用微粒混凝土将槽口连接处完全密封为整体。

本实施例的目的是通过三个集中力为某实际高拱坝结构的缩尺模型提供等效循环往复荷载，荷载分配架2具有3组分配联板。

在本实施例中，拱坝体型函数如下：

拱冠梁特征值沿高程变化关系：

拱圈梁厚度沿弧长变化关系：

T

拱圈梁上任意点(Xi，Yi)坐标：

式中，y——顺河向距离坝顶上游面拱冠处距离。h——竖向距离坝顶上游拱冠处距离。

在本实施例中，将第一个集中力设在距离拱坝缩尺模型1坝顶H1处，该高程处集中力大小设为F1＝ρgH1(R

在本实施例中，第三个集中力的大小F3及作用高程H3由以下静力等效原则确定：

式中，ρ为水的密度，g为重力加速度。

实施例8：

本实施例主要结构同实施例1，其中，参见图8～图10，所述拱坝缩尺模型1为实际水利工程拱坝结构的拱冠梁缩尺模型。

实施例9：

本实施例主要结构同实施例1，其中，参见图11～图13，所述拱坝缩尺模型1为实际水利工程拱坝结构的拱圈梁缩尺模型。拱圈梁缩尺模型集中式等效循环往复加载试验装置水平放置。

实施例10：

本实施例主要结构同实施例1，其中，通过n个集中力为一般性拱坝缩尺模型提供等效循环往复加载作用。在实际生产中，n的选取可依据实际结构类型、形式和附属加载工装布置特点，按照加载方便的原则来设置。

在本实施例中，设拱冠梁上游曲线方程为h坐标的三次曲线y

在本实施例中，设拱冠梁厚度方程为T(h)＝b

在本实施例中，拱冠梁下游面曲线方程y

y

在本实施例中，设拱轴线方程为x

拱轴线上任一点与原点连线和y方向夹角

参数a、b取值为：

同理，拱冠处曲率半径R

在本实施例中，设拱轴线上任意点i处的法线与上、下游面的交点分别为u和d，厚度为Tm，则拱圈厚度方程遵循以下关系：

T

在本实施例中，拱圈梁上、下游曲线方程：

在本实施例中，则第n个集中力的大小Fn及作用高程Hn由以下静力等效原则确定：

在本实施例中，将n个分配联板按照上述n个集中力加载位置与分配主板搭接组成荷载分配架2。

在本实施例中，按照设计加载的位置，将n个加载支座5的一个钢柱穿过轴向中空钢梁6的内槽后，并完成拼接工作。