拱坝动力模型破坏试验横缝测量技术研究
魏友庆
摘 要：本文介绍一种测缝位移装置，以及光纤应变处理技术研究。该缝位移计外形类似Ω形状，称之为欧米伽缝位移计.它能同时测量两个互相垂直的微小相对位移，并成功地应用到拱坝动力模型破坏试验横缝开度测量。对于光纤应变数据，比较了两种处理方法，并提出了一种较为合理的方法。以上装置、应变数据处理在大坝动力模型破坏试验是可行的、可信的。
关键词：模型试验；横缝；缝位移计；光纤应变
中图分类号：TV32+2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）6-0072-02
1 引 言
进行分缝拱坝模型动力破坏试验，当经历强震时，键槽会因强剪而错断，从而坝体横缝除张开外还会发生错动，此時测量主要关心的问题是，强震下两接触面的法向或切向的相对位移量。对于图 1 U型测缝位移计，测出的是固定点间总体相对位移量，并不能区分接触面的法向以及切向各自大小。图2为光纤光栅位移计，试验时可以将传感器两端固定于坝顶或者坝面上，但该传感器也只能测量单方向缝相对位移，同时因横缝张开包括梁向的错动，会影响传感器正常使用。结合拱坝仿真模型动力破坏试验，作者设计了一欧米伽缝测缝装置，称之为欧米伽缝位移计。该缝位移计能同时测量两个垂直方向的微小相对位移。它是根据欧米伽顶部外弧应变变化，推算端头触角相对位移变量，且在规定的量程内，其应变与触角相对位移保持良好的线性关系。
2 试验应用
2.1 试验基本情况
该动力模型破坏试验在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室的地震模拟台上进行。该台为美国MTS公司产品，台面尺寸3m×4m，水平单向激振，最大荷载能力l0t；工作频率0.1～50Hz。试验制作的模型为抛物线双曲拱坝，最大坝高0.77m，坝顶轴线长2.31m，大坝顶拱冠厚3.66cm，拱冠梁底厚0.19m，厚高比0.248。拱坝坝体整个模型重量9吨左右。试验模拟了部分地基，其宽度为3倍坝底厚度，上下游等宽，厚度为0.2m。模拟山体横河向长度为2.77m，顺河向长度为2.2 m，上下游宽均为0.55m。模拟山体坐落一厚0.15m的底板上，加工时采用C30混凝土一同浇筑，使之成为一体。
坝体材料为仿真混凝土，该材料具有类似常态混凝土力学性能，具有良好脆性性能。它是采用重晶砂、重晶粉、水泥、矿石粉、水、以及少许外加剂按一定比例配制而成，具有强度低、弹模低、硬化快的特点，与混凝土材料具有相似的基本均质、线弹性和破坏断裂脆性。试验中可以很好地再现大型混凝土结构的动力弹性- 弹塑性- 断裂破坏的全过程。模型模拟了2条横缝，通过逐渐增大的加速度模拟键槽剪断前后的横缝张开-错动的关系。
2.2 传感器计布置及地震波加载
本试验模拟两道横缝（如图 3所示），分别为实际工程28道横缝中第9、21道，缝高为0.55m。在上下游横缝距坝顶竖向4cm，20cm处对称共布置了8个欧米伽缝位移计。
地震波为水平顺河向加载。其方案是首先用白噪声信号扫频确定其频率；其次用计算机分析确定模型坝无制作缺陷后，以模型基频频率为输入信号频率，在坝体顺河向输入0.05g正弦波；接着输入3级场地波以及柯依那地震波；最后以0.05g初始加速度0.05g幅度逐级加载人工模拟地震波进行动力破坏试验，包括键槽的剪断。本试验以加载人工模拟地震波采集出来的数据说明问题。
2.3 试验结果
下表1为逐级加载人工模拟地震波，各欧米伽缝位移计测出的相对位移值，其中 代表横缝拱向相对位移， 代表横缝梁向相对位移。从监测到的数据来看，横缝上下游面梁向错动基本相等，拱向开度上游面略大于下游面，1号横缝拱向开度、梁向错度均要大于2号横缝。
比较1、2号传感器数据可知拱坝下游面：前4级人工模拟地震波，1、2号横缝坝顶处拱向开度基本相等；第5～7级地震波2号横缝拱向开度略大于1号横缝；后5级地震波，缝1反过来要大约缝2，这反映地震过程中拱坝横缝较为复杂的运动。地震波前7级，缝2顶部梁向错动很小；整个地震波加载工程中缝1梁向错动要略大约缝2。
比较5、6号传感器数据，对坝体加载地震动整个过程中，上游面横缝1顶部不光拱向开度、梁向错动都要大于2号横缝。再对7、8号传感器数据进行比较分析，人工模拟地震波前3级两横缝上游面据坝顶20cm处拱向、梁向相对变位基本一致；后几级地震动下缝1拱向开度、梁向错度要大于缝2，同时地震波第11、12级，拱向错动有个反向缝2要大于缝1。这时因为对坝体加载人工波至11级时，拱坝中间坝段破坏，底部已出现微裂缝。
（注：3、4缝测试测试通道问题没有得到结果）
图 4为对拱坝模型加载人工模拟地震波，1、6、8号传感器横缝梁向最大相对位移图。1、6号传感器布置在横缝1同一高程的下游、上游面，测量的数据显示每级人工波横缝梁向错动基本相等。6、8传感器在上游面横缝1距坝顶4cm、20cm位置处，高程越大，横缝拱向相对位移越大，6号传感器监测到的梁向相对位移大约为8号的1.9倍。
图 5为对拱坝模型加载人工模拟地震波，1、6、8号传感器横缝拱向最大相对位移。从监测的数据显示，上游横缝拱向相对位移要大于下游面，随地震波强度增加它们的相对差别有所下降趋势。随着高度的增加横缝拱向相对位移也相应的增加，6号缝位移计测量的数据大约为8号的2.1倍。随着地震动强度的增大，键槽剪断后，顶部错动和开度增加速率差不多，下部则错动增长速率小于开度增加速率，表明键槽上部承受的剪力更大，键槽强度应该增加。
从上图4、图5可以看出人工模拟地震波前9级横缝相对位移很小，原因是横缝填塞物还是处在弹性阶段并没有拉裂。第10级（对应地震动0.5g）地震波往后坝体横缝相对位移增长迅速，说明对模型加载地震波第10级横缝被拉开，这与试验目测的结果保持一致。
本文欧米伽测缝位移计应变系数是通过手动每变位0.1mm然后记录取相应应变值的，下次可以利用相应标定机器描绘出应变与相对位移关系曲线，然后进行二次数据拟合得出的标定系数更准确。
2.4 光纤应变计应变处理研究
光纤光栅应变计具有抗电磁干扰、抗零漂、结构简单、测量精度高、长期稳定性好等优点，在传感器领域中得到了广泛的应用。本試验采用封装技术将光纤光栅传感器封装在与仿真混凝土膨胀系数较一致的金属导管内，外部荷载通过金属导管传递到光纤光栅传感器上。其工作原理是通过监测布拉格波长的变化推算相应应变 （未考虑温度等因素影响）。
式中： 为光纤光栅应变系数。
布拉格波长的变化 即为其波长峰值减去初始值，其波长初始值有两种取法：①首次对坝体加载的地震波（白噪声）初始波长。②每次加载地震波前夕波长。
布拉格波长初始值取法主要取决于：试验测试材料以及外界地震波。对于试验材料强度很大（如：钢材）加载地震波较小时，材料处在弹性阶段没有发生塑性变形，那么两种波长初始值取法相等，得出的相应应变也一样。
对于试验材料强度比较低，外界荷载比较大时，材料可能进入非线性产生不可恢复应变时，上两种初始值取法得出的应变值就有所不同。受压作用很强时，材料可能产生压向不可恢复应变从而造成每次地震波前夕布拉格波长变小，而加载过程中波长峰值是一定，那么第一种取法计算出来的拉应变就会变小，相应压应变就会变大。反之，当材料受拉产生拉向不可恢复应变时，每次地震波前夕布拉格波长都会变大，那么第一种取法计算出来的拉应变就会变大，相应压应变就会变小。
对于仿真混凝土材料拱坝模型通过逐级加载地震波进行动力破坏试验时，因其材料强度、弹性模量都很低，坝体某些区域可能产生过大的不可恢复应变，那么第一种计算法得出来的应变可能都是压应变（见表 2 第1栏）或者都是拉应变。第二种算法得出的应变虽有压、拉应变，但只能反映地震波在前一级加载对坝体在已产生不可恢复变形之后贡献的情况，并不能较好反映在加载该级地震动坝体应变情况（见表 2 第2栏）。
（说明：正值为拉应变，负值为压应变）
综上所述，考虑不可恢复变形影响，模型光纤应变数据处理可采取如下方法：对于产生受拉不可恢复变形区域，其压应变等于第二种方法进行得到 加上受拉不可恢复应变，拉应变按第二种方法计算；对于产生受压不可恢复应变区域，其拉应变等于第二种方法进行得到 加上受压不可恢复应变，压变按第二种方法计算（见表 2 第3栏）。
4 结论
（1） 欧米伽缝位移计能同时测量两个垂直方向相对位移，通过标定试验得知：该缝位移计量程开度为5mm，错度为3mm，测量精度能达到0.01mm。对于不同试验具体精度、量程要求，可以自行设计相应的欧米伽缝位移计。
（2） 拱坝横缝键槽被剪断前，其拱向开度、梁向错动都很微小，上游面横缝拱向开度要稍大于下游面，高程越大、缝开度随地震波强度变化率越大。键槽失效后，其拱向开度要大于梁向错度。
（3）光纤应变数据处理时，布拉格波长初始值应取每阶地震波加载前的初始值然后根据公式换算得到的应变再加上材料不可恢复应变。
摘 要：本文介绍一种测缝位移装置，以及光纤应变处理技术研究。该缝位移计外形类似Ω形状，称之为欧米伽缝位移计.它能同时测量两个互相垂直的微小相对位移，并成功地应用到拱坝动力模型破坏试验横缝开度测量。对于光纤应变数据，比较了两种处理方法，并提出了一种较为合理的方法。以上装置、应变数据处理在大坝动力模型破坏试验是可行的、可信的。
关键词：模型试验；横缝；缝位移计；光纤应变
中图分类号：TV32+2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）6-0072-02
1 引 言
进行分缝拱坝模型动力破坏试验，当经历强震时，键槽会因强剪而错断，从而坝体横缝除张开外还会发生错动，此時测量主要关心的问题是，强震下两接触面的法向或切向的相对位移量。对于图 1 U型测缝位移计，测出的是固定点间总体相对位移量，并不能区分接触面的法向以及切向各自大小。图2为光纤光栅位移计，试验时可以将传感器两端固定于坝顶或者坝面上，但该传感器也只能测量单方向缝相对位移，同时因横缝张开包括梁向的错动，会影响传感器正常使用。结合拱坝仿真模型动力破坏试验，作者设计了一欧米伽缝测缝装置，称之为欧米伽缝位移计。该缝位移计能同时测量两个垂直方向的微小相对位移。它是根据欧米伽顶部外弧应变变化，推算端头触角相对位移变量，且在规定的量程内，其应变与触角相对位移保持良好的线性关系。
2 试验应用
2.1 试验基本情况
该动力模型破坏试验在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室的地震模拟台上进行。该台为美国MTS公司产品，台面尺寸3m×4m，水平单向激振，最大荷载能力l0t；工作频率0.1～50Hz。试验制作的模型为抛物线双曲拱坝，最大坝高0.77m，坝顶轴线长2.31m，大坝顶拱冠厚3.66cm，拱冠梁底厚0.19m，厚高比0.248。拱坝坝体整个模型重量9吨左右。试验模拟了部分地基，其宽度为3倍坝底厚度，上下游等宽，厚度为0.2m。模拟山体横河向长度为2.77m，顺河向长度为2.2 m，上下游宽均为0.55m。模拟山体坐落一厚0.15m的底板上，加工时采用C30混凝土一同浇筑，使之成为一体。
坝体材料为仿真混凝土，该材料具有类似常态混凝土力学性能，具有良好脆性性能。它是采用重晶砂、重晶粉、水泥、矿石粉、水、以及少许外加剂按一定比例配制而成，具有强度低、弹模低、硬化快的特点，与混凝土材料具有相似的基本均质、线弹性和破坏断裂脆性。试验中可以很好地再现大型混凝土结构的动力弹性- 弹塑性- 断裂破坏的全过程。模型模拟了2条横缝，通过逐渐增大的加速度模拟键槽剪断前后的横缝张开-错动的关系。
2.2 传感器计布置及地震波加载
本试验模拟两道横缝（如图 3所示），分别为实际工程28道横缝中第9、21道，缝高为0.55m。在上下游横缝距坝顶竖向4cm，20cm处对称共布置了8个欧米伽缝位移计。
地震波为水平顺河向加载。其方案是首先用白噪声信号扫频确定其频率；其次用计算机分析确定模型坝无制作缺陷后，以模型基频频率为输入信号频率，在坝体顺河向输入0.05g正弦波；接着输入3级场地波以及柯依那地震波；最后以0.05g初始加速度0.05g幅度逐级加载人工模拟地震波进行动力破坏试验，包括键槽的剪断。本试验以加载人工模拟地震波采集出来的数据说明问题。
2.3 试验结果
下表1为逐级加载人工模拟地震波，各欧米伽缝位移计测出的相对位移值，其中 代表横缝拱向相对位移， 代表横缝梁向相对位移。从监测到的数据来看，横缝上下游面梁向错动基本相等，拱向开度上游面略大于下游面，1号横缝拱向开度、梁向错度均要大于2号横缝。
比较1、2号传感器数据可知拱坝下游面：前4级人工模拟地震波，1、2号横缝坝顶处拱向开度基本相等；第5～7级地震波2号横缝拱向开度略大于1号横缝；后5级地震波，缝1反过来要大约缝2，这反映地震过程中拱坝横缝较为复杂的运动。地震波前7级，缝2顶部梁向错动很小；整个地震波加载工程中缝1梁向错动要略大约缝2。
比较5、6号传感器数据，对坝体加载地震动整个过程中，上游面横缝1顶部不光拱向开度、梁向错动都要大于2号横缝。再对7、8号传感器数据进行比较分析，人工模拟地震波前3级两横缝上游面据坝顶20cm处拱向、梁向相对变位基本一致；后几级地震动下缝1拱向开度、梁向错度要大于缝2，同时地震波第11、12级，拱向错动有个反向缝2要大于缝1。这时因为对坝体加载人工波至11级时，拱坝中间坝段破坏，底部已出现微裂缝。
（注：3、4缝测试测试通道问题没有得到结果）
图 4为对拱坝模型加载人工模拟地震波，1、6、8号传感器横缝梁向最大相对位移图。1、6号传感器布置在横缝1同一高程的下游、上游面，测量的数据显示每级人工波横缝梁向错动基本相等。6、8传感器在上游面横缝1距坝顶4cm、20cm位置处，高程越大，横缝拱向相对位移越大，6号传感器监测到的梁向相对位移大约为8号的1.9倍。
图 5为对拱坝模型加载人工模拟地震波，1、6、8号传感器横缝拱向最大相对位移。从监测的数据显示，上游横缝拱向相对位移要大于下游面，随地震波强度增加它们的相对差别有所下降趋势。随着高度的增加横缝拱向相对位移也相应的增加，6号缝位移计测量的数据大约为8号的2.1倍。随着地震动强度的增大，键槽剪断后，顶部错动和开度增加速率差不多，下部则错动增长速率小于开度增加速率，表明键槽上部承受的剪力更大，键槽强度应该增加。
从上图4、图5可以看出人工模拟地震波前9级横缝相对位移很小，原因是横缝填塞物还是处在弹性阶段并没有拉裂。第10级（对应地震动0.5g）地震波往后坝体横缝相对位移增长迅速，说明对模型加载地震波第10级横缝被拉开，这与试验目测的结果保持一致。
本文欧米伽测缝位移计应变系数是通过手动每变位0.1mm然后记录取相应应变值的，下次可以利用相应标定机器描绘出应变与相对位移关系曲线，然后进行二次数据拟合得出的标定系数更准确。
2.4 光纤应变计应变处理研究
光纤光栅应变计具有抗电磁干扰、抗零漂、结构简单、测量精度高、长期稳定性好等优点，在传感器领域中得到了广泛的应用。本試验采用封装技术将光纤光栅传感器封装在与仿真混凝土膨胀系数较一致的金属导管内，外部荷载通过金属导管传递到光纤光栅传感器上。其工作原理是通过监测布拉格波长的变化推算相应应变 （未考虑温度等因素影响）。
式中： 为光纤光栅应变系数。
布拉格波长的变化 即为其波长峰值减去初始值，其波长初始值有两种取法：①首次对坝体加载的地震波（白噪声）初始波长。②每次加载地震波前夕波长。
布拉格波长初始值取法主要取决于：试验测试材料以及外界地震波。对于试验材料强度很大（如：钢材）加载地震波较小时，材料处在弹性阶段没有发生塑性变形，那么两种波长初始值取法相等，得出的相应应变也一样。
对于试验材料强度比较低，外界荷载比较大时，材料可能进入非线性产生不可恢复应变时，上两种初始值取法得出的应变值就有所不同。受压作用很强时，材料可能产生压向不可恢复应变从而造成每次地震波前夕布拉格波长变小，而加载过程中波长峰值是一定，那么第一种取法计算出来的拉应变就会变小，相应压应变就会变大。反之，当材料受拉产生拉向不可恢复应变时，每次地震波前夕布拉格波长都会变大，那么第一种取法计算出来的拉应变就会变大，相应压应变就会变小。
对于仿真混凝土材料拱坝模型通过逐级加载地震波进行动力破坏试验时，因其材料强度、弹性模量都很低，坝体某些区域可能产生过大的不可恢复应变，那么第一种计算法得出来的应变可能都是压应变（见表 2 第1栏）或者都是拉应变。第二种算法得出的应变虽有压、拉应变，但只能反映地震波在前一级加载对坝体在已产生不可恢复变形之后贡献的情况，并不能较好反映在加载该级地震动坝体应变情况（见表 2 第2栏）。
（说明：正值为拉应变，负值为压应变）
综上所述，考虑不可恢复变形影响，模型光纤应变数据处理可采取如下方法：对于产生受拉不可恢复变形区域，其压应变等于第二种方法进行得到 加上受拉不可恢复应变，拉应变按第二种方法计算；对于产生受压不可恢复应变区域，其拉应变等于第二种方法进行得到 加上受压不可恢复应变，压变按第二种方法计算（见表 2 第3栏）。
4 结论
（1） 欧米伽缝位移计能同时测量两个垂直方向相对位移，通过标定试验得知：该缝位移计量程开度为5mm，错度为3mm，测量精度能达到0.01mm。对于不同试验具体精度、量程要求，可以自行设计相应的欧米伽缝位移计。
（2） 拱坝横缝键槽被剪断前，其拱向开度、梁向错动都很微小，上游面横缝拱向开度要稍大于下游面，高程越大、缝开度随地震波强度变化率越大。键槽失效后，其拱向开度要大于梁向错度。
（3）光纤应变数据处理时，布拉格波长初始值应取每阶地震波加载前的初始值然后根据公式换算得到的应变再加上材料不可恢复应变。
