魏友慶

摘 要：本文介紹一種測縫位移裝置，以及光纖應(yīng)變處理技術(shù)研究。該縫位移計(jì)外形類似Ω形狀，稱之為歐米伽縫位移計(jì).它能同時(shí)測量兩個(gè)互相垂直的微小相對(duì)位移，并成功地應(yīng)用到拱壩動(dòng)力模型破壞試驗(yàn)橫縫開度測量。對(duì)于光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)，比較了兩種處理方法，并提出了一種較為合理的方法。以上裝置、應(yīng)變數(shù)據(jù)處理在大壩動(dòng)力模型破壞試驗(yàn)是可行的、可信的。

關(guān)鍵詞：模型試驗(yàn)；橫縫；縫位移計(jì)；光纖應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TV32+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）6-0072-02

1 引 言

進(jìn)行分縫拱壩模型動(dòng)力破壞試驗(yàn)，當(dāng)經(jīng)歷強(qiáng)震時(shí)，鍵槽會(huì)因強(qiáng)剪而錯(cuò)斷，從而壩體橫縫除張開外還會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，此時(shí)測量主要關(guān)心的問題是，強(qiáng)震下兩接觸面的法向或切向的相對(duì)位移量。對(duì)于圖 1 U型測縫位移計(jì)，測出的是固定點(diǎn)間總體相對(duì)位移量，并不能區(qū)分接觸面的法向以及切向各自大小。圖2為光纖光柵位移計(jì)，試驗(yàn)時(shí)可以將傳感器兩端固定于壩頂或者壩面上，但該傳感器也只能測量單方向縫相對(duì)位移，同時(shí)因橫縫張開包括梁向的錯(cuò)動(dòng)，會(huì)影響傳感器正常使用。結(jié)合拱壩仿真模型動(dòng)力破壞試驗(yàn)，作者設(shè)計(jì)了一歐米伽縫測縫裝置，稱之為歐米伽縫位移計(jì)。該縫位移計(jì)能同時(shí)測量兩個(gè)垂直方向的微小相對(duì)位移。它是根據(jù)歐米伽頂部外弧應(yīng)變變化，推算端頭觸角相對(duì)位移變量，且在規(guī)定的量程內(nèi)，其應(yīng)變與觸角相對(duì)位移保持良好的線性關(guān)系。

2 試驗(yàn)應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)基本情況

該動(dòng)力模型破壞試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的地震模擬臺(tái)上進(jìn)行。該臺(tái)為美國MTS公司產(chǎn)品，臺(tái)面尺寸3m×4m，水平單向激振，最大荷載能力l0t；工作頻率0.1～50Hz。試驗(yàn)制作的模型為拋物線雙曲拱壩，最大壩高0.77m，壩頂軸線長2.31m，大壩頂拱冠厚3.66cm，拱冠梁底厚0.19m，厚高比0.248。拱壩壩體整個(gè)模型重量9噸左右。試驗(yàn)?zāi)M了部分地基，其寬度為3倍壩底厚度，上下游等寬，厚度為0.2m。模擬山體橫河向長度為2.77m，順河向長度為2.2 m，上下游寬均為0.55m。模擬山體坐落一厚0.15m的底板上，加工時(shí)采用C30混凝土一同澆筑，使之成為一體。

壩體材料為仿真混凝土，該材料具有類似常態(tài)混凝土力學(xué)性能，具有良好脆性性能。它是采用重晶砂、重晶粉、水泥、礦石粉、水、以及少許外加劑按一定比例配制而成，具有強(qiáng)度低、彈模低、硬化快的特點(diǎn)，與混凝土材料具有相似的基本均質(zhì)、線彈性和破壞斷裂脆性。試驗(yàn)中可以很好地再現(xiàn)大型混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈性- 彈塑性- 斷裂破壞的全過程。模型模擬了2條橫縫，通過逐漸增大的加速度模擬鍵槽剪斷前后的橫縫張開-錯(cuò)動(dòng)的關(guān)系。

2.2 傳感器計(jì)布置及地震波加載

本試驗(yàn)?zāi)M兩道橫縫（如圖 3所示），分別為實(shí)際工程28道橫縫中第9、21道，縫高為0.55m。在上下游橫縫距壩頂豎向4cm，20cm處對(duì)稱共布置了8個(gè)歐米伽縫位移計(jì)。

地震波為水平順河向加載。其方案是首先用白噪聲信號(hào)掃頻確定其頻率；其次用計(jì)算機(jī)分析確定模型壩無制作缺陷后，以模型基頻頻率為輸入信號(hào)頻率，在壩體順河向輸入0.05g正弦波；接著輸入3級(jí)場地波以及柯依那地震波；最后以0.05g初始加速度0.05g幅度逐級(jí)加載人工模擬地震波進(jìn)行動(dòng)力破壞試驗(yàn)，包括鍵槽的剪斷。本試驗(yàn)以加載人工模擬地震波采集出來的數(shù)據(jù)說明問題。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

下表1為逐級(jí)加載人工模擬地震波，各歐米伽縫位移計(jì)測出的相對(duì)位移值，其中 代表橫縫拱向相對(duì)位移， 代表橫縫梁向相對(duì)位移。從監(jiān)測到的數(shù)據(jù)來看，橫縫上下游面梁向錯(cuò)動(dòng)基本相等，拱向開度上游面略大于下游面，1號(hào)橫縫拱向開度、梁向錯(cuò)度均要大于2號(hào)橫縫。

比較1、2號(hào)傳感器數(shù)據(jù)可知拱壩下游面：前4級(jí)人工模擬地震波，1、2號(hào)橫縫壩頂處拱向開度基本相等；第5～7級(jí)地震波2號(hào)橫縫拱向開度略大于1號(hào)橫縫；后5級(jí)地震波，縫1反過來要大約縫2，這反映地震過程中拱壩橫縫較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。地震波前7級(jí)，縫2頂部梁向錯(cuò)動(dòng)很?。徽麄€(gè)地震波加載工程中縫1梁向錯(cuò)動(dòng)要略大約縫2。

比較5、6號(hào)傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)壩體加載地震動(dòng)整個(gè)過程中，上游面橫縫1頂部不光拱向開度、梁向錯(cuò)動(dòng)都要大于2號(hào)橫縫。再對(duì)7、8號(hào)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，人工模擬地震波前3級(jí)兩橫縫上游面據(jù)壩頂20cm處拱向、梁向相對(duì)變位基本一致；后幾級(jí)地震動(dòng)下縫1拱向開度、梁向錯(cuò)度要大于縫2，同時(shí)地震波第11、12級(jí)，拱向錯(cuò)動(dòng)有個(gè)反向縫2要大于縫1。這時(shí)因?yàn)閷?duì)壩體加載人工波至11級(jí)時(shí)，拱壩中間壩段破壞，底部已出現(xiàn)微裂縫。

（注：3、4縫測試測試通道問題沒有得到結(jié)果）

圖 4為對(duì)拱壩模型加載人工模擬地震波，1、6、8號(hào)傳感器橫縫梁向最大相對(duì)位移圖。1、6號(hào)傳感器布置在橫縫1同一高程的下游、上游面，測量的數(shù)據(jù)顯示每級(jí)人工波橫縫梁向錯(cuò)動(dòng)基本相等。6、8傳感器在上游面橫縫1距壩頂4cm、20cm位置處，高程越大，橫縫拱向相對(duì)位移越大，6號(hào)傳感器監(jiān)測到的梁向相對(duì)位移大約為8號(hào)的1.9倍。

圖 5為對(duì)拱壩模型加載人工模擬地震波，1、6、8號(hào)傳感器橫縫拱向最大相對(duì)位移。從監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示，上游橫縫拱向相對(duì)位移要大于下游面，隨地震波強(qiáng)度增加它們的相對(duì)差別有所下降趨勢。隨著高度的增加橫縫拱向相對(duì)位移也相應(yīng)的增加，6號(hào)縫位移計(jì)測量的數(shù)據(jù)大約為8號(hào)的2.1倍。隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，鍵槽剪斷后，頂部錯(cuò)動(dòng)和開度增加速率差不多，下部則錯(cuò)動(dòng)增長速率小于開度增加速率，表明鍵槽上部承受的剪力更大，鍵槽強(qiáng)度應(yīng)該增加。

從上圖4、圖5可以看出人工模擬地震波前9級(jí)橫縫相對(duì)位移很小，原因是橫縫填塞物還是處在彈性階段并沒有拉裂。第10級(jí)（對(duì)應(yīng)地震動(dòng)0.5g）地震波往后壩體橫縫相對(duì)位移增長迅速，說明對(duì)模型加載地震波第10級(jí)橫縫被拉開，這與試驗(yàn)?zāi)繙y的結(jié)果保持一致。

本文歐米伽測縫位移計(jì)應(yīng)變系數(shù)是通過手動(dòng)每變位0.1mm然后記錄取相應(yīng)應(yīng)變值的，下次可以利用相應(yīng)標(biāo)定機(jī)器描繪出應(yīng)變與相對(duì)位移關(guān)系曲線，然后進(jìn)行二次數(shù)據(jù)擬合得出的標(biāo)定系數(shù)更準(zhǔn)確。

2.4 光纖應(yīng)變計(jì)應(yīng)變處理研究

光纖光柵應(yīng)變計(jì)具有抗電磁干擾、抗零漂、結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在傳感器領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本試驗(yàn)采用封裝技術(shù)將光纖光柵傳感器封裝在與仿真混凝土膨脹系數(shù)較一致的金屬導(dǎo)管內(nèi)，外部荷載通過金屬導(dǎo)管傳遞到光纖光柵傳感器上。其工作原理是通過監(jiān)測布拉格波長的變化推算相應(yīng)應(yīng)變 （未考慮溫度等因素影響）。

式中： 為光纖光柵應(yīng)變系數(shù)。

布拉格波長的變化 即為其波長峰值減去初始值，其波長初始值有兩種取法：①首次對(duì)壩體加載的地震波（白噪聲）初始波長。②每次加載地震波前夕波長。

布拉格波長初始值取法主要取決于：試驗(yàn)測試材料以及外界地震波。對(duì)于試驗(yàn)材料強(qiáng)度很大（如：鋼材）加載地震波較小時(shí)，材料處在彈性階段沒有發(fā)生塑性變形，那么兩種波長初始值取法相等，得出的相應(yīng)應(yīng)變也一樣。

對(duì)于試驗(yàn)材料強(qiáng)度比較低，外界荷載比較大時(shí)，材料可能進(jìn)入非線性產(chǎn)生不可恢復(fù)應(yīng)變時(shí)，上兩種初始值取法得出的應(yīng)變值就有所不同。受壓作用很強(qiáng)時(shí)，材料可能產(chǎn)生壓向不可恢復(fù)應(yīng)變從而造成每次地震波前夕布拉格波長變小，而加載過程中波長峰值是一定，那么第一種取法計(jì)算出來的拉應(yīng)變就會(huì)變小，相應(yīng)壓應(yīng)變就會(huì)變大。反之，當(dāng)材料受拉產(chǎn)生拉向不可恢復(fù)應(yīng)變時(shí)，每次地震波前夕布拉格波長都會(huì)變大，那么第一種取法計(jì)算出來的拉應(yīng)變就會(huì)變大，相應(yīng)壓應(yīng)變就會(huì)變小。

對(duì)于仿真混凝土材料拱壩模型通過逐級(jí)加載地震波進(jìn)行動(dòng)力破壞試驗(yàn)時(shí)，因其材料強(qiáng)度、彈性模量都很低，壩體某些區(qū)域可能產(chǎn)生過大的不可恢復(fù)應(yīng)變，那么第一種計(jì)算法得出來的應(yīng)變可能都是壓應(yīng)變（見表 2 第1欄）或者都是拉應(yīng)變。第二種算法得出的應(yīng)變雖有壓、拉應(yīng)變，但只能反映地震波在前一級(jí)加載對(duì)壩體在已產(chǎn)生不可恢復(fù)變形之后貢獻(xiàn)的情況，并不能較好反映在加載該級(jí)地震動(dòng)壩體應(yīng)變情況（見表 2 第2欄）。

（說明：正值為拉應(yīng)變，負(fù)值為壓應(yīng)變）

綜上所述，考慮不可恢復(fù)變形影響，模型光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)處理可采取如下方法：對(duì)于產(chǎn)生受拉不可恢復(fù)變形區(qū)域，其壓應(yīng)變等于第二種方法進(jìn)行得到 加上受拉不可恢復(fù)應(yīng)變，拉應(yīng)變按第二種方法計(jì)算；對(duì)于產(chǎn)生受壓不可恢復(fù)應(yīng)變區(qū)域，其拉應(yīng)變等于第二種方法進(jìn)行得到 加上受壓不可恢復(fù)應(yīng)變，壓變按第二種方法計(jì)算（見表 2 第3欄）。

4 結(jié)論

（1） 歐米伽縫位移計(jì)能同時(shí)測量兩個(gè)垂直方向相對(duì)位移，通過標(biāo)定試驗(yàn)得知：該縫位移計(jì)量程開度為5mm，錯(cuò)度為3mm，測量精度能達(dá)到0.01mm。對(duì)于不同試驗(yàn)具體精度、量程要求，可以自行設(shè)計(jì)相應(yīng)的歐米伽縫位移計(jì)。

（2） 拱壩橫縫鍵槽被剪斷前，其拱向開度、梁向錯(cuò)動(dòng)都很微小，上游面橫縫拱向開度要稍大于下游面，高程越大、縫開度隨地震波強(qiáng)度變化率越大。鍵槽失效后，其拱向開度要大于梁向錯(cuò)度。

（3）光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)處理時(shí)，布拉格波長初始值應(yīng)取每階地震波加載前的初始值然后根據(jù)公式換算得到的應(yīng)變再加上材料不可恢復(fù)應(yīng)變。