李 靜， 陳健云， 徐 強， 張凌晨

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部 大連,116023)

引 言

隨著我國水電工程的發(fā)展，水利樞紐工程的規(guī)模越來越大，壩體越來越高，設(shè)防地震動也越來越強，比如金安橋、阿海等重力壩以及大崗山等拱壩，最高達0.557 5g，一旦發(fā)生破壞后果極其嚴重，保障大壩抗震安全是工程設(shè)計和建設(shè)中的重大問題。

研究人員對混凝土壩抗震安全方面開展了許多研究，包括物理模型試驗和數(shù)值模擬方法等方面。由于在材料特性、分析方法等不同環(huán)節(jié)的近似假定，以及采取模型的差異，不同的非線性數(shù)值方法在模擬大體積素混凝土壩在強震下的破壞行為有較大差異，振動臺模型試驗仍是觀察混凝土壩地震破壞形式、研究抗震能力以及檢驗數(shù)值模型的重要手段。

隨著壩體高度的增加，設(shè)防烈度的增大，以素混凝土為主要材料的混凝土重力壩越來越難以滿足抗震設(shè)防的強度要求，一些工程開始考慮在上下游壩面布設(shè)抗震鋼筋[8]。文獻[9-10]分別采用嵌入式滑移模型和鋼筋鋼化模型研究重力壩的配筋作用。

相比于重力壩橫截面，鋼筋布設(shè)極少，屬于少筋設(shè)計，采用數(shù)值分析驗證其抗震限裂效果存在一定困難。由于當前采取配筋措施的混凝土壩工程還未經(jīng)受實際地震作用的檢驗，通過振動臺試驗研究抗震鋼筋對混凝土壩的損傷、破壞模式的影響及抗震效果具有十分重要的意義。筆者結(jié)合實際工程，采用振動臺模型試驗對抗震鋼筋布設(shè)前后的效果進行了對比研究，可以為類似工程的抗震措施以及數(shù)值模型驗證提供參考。

1 模型設(shè)計

1.1 模型材料選擇

振動臺模型破壞試驗必須滿足彈性-重力相似，即原型、模型的彈性模量及拉、壓強度比例相同。由于混凝土重力壩抗壓強度具有很高的安全裕度，地震損傷以受拉開裂為主，因此，模型設(shè)計中可以只考慮抗拉強度和彈性模量等參數(shù)滿足以下關(guān)系：

彈性恢復(fù)力和慣性力

(1)

外部荷載

(2)

重力相似

(3)

彈性-重力相似

(4)

其中：λ，λu，λt，λρ和λE分別表示模型幾何比尺、變形比尺、時間比尺、密度比尺與彈模比尺。

對空間尺度達幾百米的原型進行只有幾米的小尺度振動臺模型破壞試驗，彈性-重力相似律對模型材料的選擇提出了苛刻的要求。在模型幾何比尺選定的情況下，模型材料的密度比尺很難調(diào)整，可以調(diào)整的只有模型材料的彈模和強度。

本研究以某一203 m高的混凝土重力壩為原型進行振動臺破壞模型試驗。試驗設(shè)計幾何比尺為1∶100。要實現(xiàn)模型試驗?zāi)軌蚍从吃徒Y(jié)構(gòu)從初始損傷到嚴重破壞的主要過程和破壞特征，彈性-重力相似率要求試驗材料滿足高密度、低彈模和低強度等要求，這些是石膏等傳統(tǒng)試驗材料很難滿足的。

經(jīng)過反復(fù)的試制，本次試驗采取的模型材料由重晶石、重晶砂、水泥、礦粉和水等配置而成，具有強度低、彈模低、硬化快的特點，材料模量、強度及應(yīng)力-應(yīng)變曲線與原型混凝土具有較好的相似性。

根據(jù)模型幾何比尺及相似關(guān)系，所確定的模型試驗材料的彈模、抗壓及抗拉強度范圍分別為：480～980 MPa，0.7～0.8 MPa及30～60 kPa，阻尼比在5%以內(nèi)。

1.2 模型設(shè)計

實驗在大連理工大學(xué)進行。模型采用1∶100的幾何比尺，根據(jù)彈性-重力相似率可以確定變形比尺、彈性模量以及強度比尺為1∶100，時間比尺為1∶10，加速度比尺為1∶1。每個典型壩段澆注多個模型，分別施加規(guī)范譜人工波、麗江地震波和遷安地震波進行配筋和不配筋的對比試驗研究。圖1為水平向麗江地震波，豎向峰值為水平向的2/3。

圖1 水平向地震波(麗江波)Fig.1 Horizontal seismic wave (Lijiang wave)

分別采用加速度傳感器和光纖光柵應(yīng)變傳感器測量各壩段的加速度和應(yīng)變，加速度及應(yīng)變片布置位置如圖2所示。

1.3 模擬加筋試驗以及模擬弱面試驗的研究

1．3．1 模擬加筋試驗

水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)在強震下的破壞形式主要是受拉破壞，因此針對試驗仿真材料進行不同配筋(采用金屬纖維絲模擬鋼筋)情況下的抗折試驗，如圖3所示。

針對不配筋和配有10，15，20根金屬纖維絲的抗折試驗結(jié)果如表1所示。

表1 配筋模型材料抗折試驗結(jié)果

圖 2 10#溢流壩段傳感器布置圖Fig.2 Arrangement of sensors in the 10# overflow dam section

圖3 抗折試驗Fig.3 Bending beam test

不同配筋情況下的模型材料彎折結(jié)果如圖4所示。不配筋情況下的試件呈現(xiàn)一條主裂縫發(fā)展的脆性破壞，而不同配筋情況下的試件則呈現(xiàn)多條裂縫同時發(fā)展的延性破壞形式，變形明顯增加，但是彎折強度變化不大，相比于不配筋情況下提高約13.3%，對初始裂縫的影響較小。

圖4 抗折試驗結(jié)果Fig.4 Result of the bending beam test

金屬纖維絲最終被拉斷，說明模型試驗材料與模擬鋼筋的金屬絲材料粘結(jié)性能良好。因此，對于原型配筋與模型配筋的相似關(guān)系，可以依據(jù)下式

(5)

根據(jù)以上相似關(guān)系，由原型重力壩的配筋得到的模型配筋面積比尺可換算得到模型配筋量。

1．3．2 分層弱面的模擬

碾壓混凝土壩的施工特點決定了壩體存在水平層面，層面強度通常比本體材料低，對于強震下重力壩的破壞路徑有很大影響，需要在試驗設(shè)計中反映層面的影響。

為此，澆筑了包含層面的抗折試驗構(gòu)件，進行了一系列不同層面、不同配比下的試驗，如圖5所示 。根據(jù)滿足原型層面與本體參數(shù)的關(guān)系，確定了模型試驗材料層面模擬的配比。

圖5 模擬弱面的抗彎折試驗Fig.5 Bending test with weak surface

模型試驗壩段體型及配筋如圖6所示。上游面上部及下部的配筋分別為1×Ф32@200 mm和1×Ф25@200 mm。根據(jù)相似比，確定分別采用10根Ф0.35@10 mm和7根Ф0.35@25 mm的細金屬絲模擬。閘墩、導(dǎo)墻等模型尺度太小的部分用2根Ф0.35的金屬絲模擬。

圖6 10#溢流壩段抗震配筋示意圖Fig.6 Overflow section with reinforcement steel bars

2 試驗結(jié)果分析

本次試驗一共澆筑8個模型(澆筑模型如圖7所示)，配筋和不配筋模型各3個，分別在規(guī)范譜人工波、麗江波和場地波作用下進行對比試驗。另外澆筑層面比較模型2個，模擬弱面分區(qū)示意圖如圖8所示(圖中①②分別代表1號弱面和2號弱面)。

圖7 溢流壩段模型澆筑成型圖 圖8 弱面分區(qū)示意圖 Fig.7 Model of the overflow Fig.8 Diagram of the weak section surface division

2.1 有無配筋模型的破壞對比分析

試驗采用0.05g加速度逐級加載的方法，直到壩段出現(xiàn)裂縫貫穿破壞。不同地震波作用下的壩體破壞過程和現(xiàn)象基本類似，以下以麗江波作用下的試驗結(jié)果為例進行分析。

無配筋和配筋情況下的模型試驗結(jié)果分別如表2和表3所示。

從破壞狀態(tài)來看，無配筋模型在原型地震輸入為0.278g時，首先在閘墩上游面的底部出現(xiàn)明顯的裂縫；當加速度增加至0.336g時，裂縫開始快速向下游面發(fā)展，與此同時，下游面的閘墩與導(dǎo)墻連接部位也出現(xiàn)了裂縫并向溢流面發(fā)展；地震動輸入增加至0.475g時，閘墩部位上游與下游的裂縫會合，形成貫穿裂縫，下游導(dǎo)墻折坡處出現(xiàn)的裂縫迅速向溢流面擴展。

表2 無抗震措施模型破壞試驗結(jié)果

Tab.2 Damage of the model without seismic reinforcement

無抗震措施模型破壞位置a/g模型原型閘墩上游底部約4 cm裂縫0.5020.278導(dǎo)墻與閘墩下游連接處、導(dǎo)墻下游彎折部位0.6020.336下游導(dǎo)墻折坡部位0.8510.475

表3 有抗震配筋措施模型破壞試驗結(jié)果

對于配筋壩段模型，隨著地震加速度的增加，0.278g時在上游閘墩下部出現(xiàn)開裂，呈現(xiàn)一條主裂縫和多條細微裂縫同時發(fā)展的現(xiàn)象；在0.361g時下游閘墩開裂，導(dǎo)流墻折角處開裂，同時上游閘墩下部裂縫進一步擴展；0.499g時上下游閘墩主裂縫貫穿。

有無配筋壩段在地震動加載過程中，壩身上下游折坡處均未出現(xiàn)宏觀裂縫，說明溢流壩段的抗震薄弱環(huán)節(jié)在閘墩、導(dǎo)墻等部位。相比于無配筋壩段，配筋壩段主裂縫周圍有多條細微裂縫。

2.2 頻率變化

壩體頻率隨地震動強度增加的變化如圖9所示。從試驗結(jié)果可見，隨地震加速度的增加，壩體損傷逐漸加大，壩頂加速度放大倍數(shù)逐漸變小。

圖9 原型加速度下壩身頻率變化Fig.9 The dam frequency under different prototype acceleration

在0.454g以前，配筋和不配筋兩個模型的基頻基本不變；達到0.501g后，兩個模型的頻率都出現(xiàn)降低，說明壩體出現(xiàn)損傷，剛度下降。相比而言，有配筋壩段的頻率下降較小，說明所配置的鋼筋在壩體損傷出現(xiàn)后減緩了損傷發(fā)展。隨著地震動的進一步增大，壩體頻率持續(xù)降低，有配筋壩段的頻率降低程度始終比無配筋壩段小，說明盡管大體積混凝土壩配筋量極小，但在強震下仍能起到減緩結(jié)構(gòu)損傷提高抗震能力的作用。

2.3 加速度放大倍數(shù)變化

不同地震動強度下壩體加速度放大倍數(shù)隨高程的變化如圖10所示。從圖中可見，隨著地震動強度的增加，壩體損傷加劇，壩體加速度放大倍數(shù)沿著高程逐漸降低。

圖10 動力放大系數(shù)沿壩高分布Fig.10 Dynamic amplification factor at different dam height

2.4 應(yīng)變變化

壩體應(yīng)變隨地震動強度增加的變化如圖11所示。從圖中可見，無配筋壩段閘墩上游部位應(yīng)變在0.454g時發(fā)生突變，觀察試驗?zāi)Ｐ停梢钥吹竭@是由于裂縫出現(xiàn)在傳感器上部，傳感器部位應(yīng)變由于應(yīng)力松弛而降低；而配筋壩段對應(yīng)加速度下的應(yīng)變則持續(xù)增加，反映了裂縫區(qū)域鋼筋的強化作用，直到0.502g配筋壩段相應(yīng)部位應(yīng)變才出現(xiàn)突變，這是由于配筋情況下的多裂紋擴展導(dǎo)致周邊應(yīng)變降低。

無配筋壩段閘墩下游側(cè)與導(dǎo)墻彎折處在0.502g時的應(yīng)變突變以及配筋壩段在對應(yīng)部位應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律，其原因與上游側(cè)相同。

在地震動加速度0.502g后，配筋壩段上游彎折處的應(yīng)變較無配筋壩段明顯增大，凸顯了強震下鋼筋的強化作用。有無配筋壩段在強震結(jié)束后均存在一定殘余應(yīng)變，與配筋壩段相比，無配筋壩段的殘余應(yīng)變更大。

壩踵的應(yīng)變較其他部位要小，有無配筋在壩踵產(chǎn)生的應(yīng)變并不明顯。

圖11 應(yīng)變隨加速度變化情況Fig.11 The Strain at different acceleration

2.5 層面影響

層面剪切應(yīng)變隨地震動強度變化如圖12所示。

圖12 弱面切面應(yīng)變Fig.12 Shear strain of the weak surface

從圖中可見，層面剪切應(yīng)變隨地震動加速的增加大致線性變化，觀察試驗?zāi)Ｐ?，宏觀上該弱面位置沒有裂縫產(chǎn)生。因此，是否存在弱面對閘墩破壞過程沒有影響，溢流壩段的抗震薄弱部位主要在閘墩、導(dǎo)墻等部位。

在閘墩裂縫貫穿后繼續(xù)加載，直到0.952g，弱面1才出現(xiàn)裂縫，壩身開始出現(xiàn)破壞，說明溢流壩段壩身基本不會發(fā)生剪切破壞，層面影響不大。0.4g以后包含弱面模型的弱面剪切應(yīng)變大于無弱面模型相應(yīng)部位的應(yīng)變，這是由于弱面的模量也是低于本體的。

3 結(jié)束語

混凝土壩等水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)的特性決定了配筋量相比于混凝土體積極小，如何評估鋼筋在強震中的作用對于抗震設(shè)防具有重要的作用。大體積混凝土壩踵的配筋措施對壩體起裂加速度基本沒有影響，但是在壩體開裂后限制裂縫的迅速發(fā)展有明顯的作用，延緩了裂縫的貫穿，能夠提高壩體的極限抗震能力。配筋壩段在地震中呈現(xiàn)多條裂縫，裂縫分布區(qū)域更大，相比于無配筋壩段一條或幾條宏觀裂縫迅速發(fā)展的破壞形式，能量耗散更多，對于抗震更為有利。配筋壩段在強震中的裂縫比無配筋壩段在壩體內(nèi)部擴展深度更小，擴展速度更緩，說明鋼筋對降低壩體損傷有較明顯的作用?；炷翂卧趶娬鹬械钠茐暮蠊菢O其嚴重的，因此，需要在關(guān)鍵部位配置鋼筋提高壩體的抗震能力。但是，配筋不能提高起裂加速度，考慮到壩體開裂后的庫水滲透，在關(guān)鍵部位配置預(yù)應(yīng)力鋼筋可以進一步提高抗裂性能。混凝土重力壩的主要抗震薄弱環(huán)節(jié)在壩體中上部，溢流壩段在閘墩、導(dǎo)墻等部位，而壩體中下部混凝土一般不過破壞，因此，可以在中上部薄弱環(huán)節(jié)配置鋼筋，而中下部少配或不配。