结构模型破坏实验

    史长莹++郜迪

    摘 要：结构模型破坏试验的目的是研究结构本身的极限承载能力或安全度。结构模型破坏实验还要研究结构的破坏形态以及其破坏的发生及发展过程，主要是找到结构的薄弱环节，从而对结构进行修改，使它的各部分材料都能最大限度的发挥作用，达到即经济又安全的目的。

    关键词：破坏试验；安全系数；破坏荷载；设计荷载；弹性阶段

    中图分类号：TU756.4 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2016）12-0057-01

    进行破坏试验的重要目的之一就是研究结构物的实际安全度，通常所指出的安全系数。对于结构物安全度或安全系数的理解，按结构物的破坏原因，存在着两种不同的概念。第一种结构安全度的概念认为，由于一些原因，作用于坝上外荷载超过了设计外荷载，因而使混凝土坝遭到破坏。使结构物遭到破坏时的外荷载与设计荷载之比，即为结构物的安全系数K。通常在模型上进行这种试验的方法是，坝体自重不变，逐渐增加坝体上游面加液体的容重或水头，直至模型破坏为止。

    第二种结构安全度的概念认为，作用于结构上的外荷载超过设计荷载的机率是比较小的。比较可能的情况是，由于混凝土的不均匀或施工质量不好等等原因，指使坝体混凝土的实际号低于设计号，因而坝体在受荷载时遭到破坏。

    且比较两式，其形式是相似的，但却有着不同的含义，前者是超载安全系数，后者是强度安全系数。欲在模型试验中获得强度安全系数，需在荷载不变的情况下，不断降低模型材料强度直至破坏，但这样做实际上是很困难的，通常的做法是在模型上将水荷载及自重以相同的比例逐渐增加直至模型破坏为止，此时破坏荷载与设计荷载之比，即为强度安全系数。上述的强度安全系数，从物理概念来说是比较清楚的，但由于它加载麻烦，故目前机构模的破坏试验，大多数还是采用超载安全系数的试验方法。一般来说，在数值上超载安全系数小于强度安全系数。为反应超载后的结构破坏程度及破坏过程，有时还将安全度分两个阶段来表达，前者代表结构开始出现裂缝时安全系数，称初裂安全系数，或第一超载安全系数，后者代表结构完全丧失承载能力时的安全系数，称溃坝安全系数或第二超载安全系数。

    1 模型材料

    对于混凝土结构的破坏试验，其模型材料的物理力学特性须与混凝土相似。目前常用的模型材料有混凝土、水泥浮石混合料、石膏混合料等类型。用物理力学特性与原材料相同。但因混凝土强度及彈模均较高，故需施加较大的集中力来模拟混凝土自重。在较小的模型中，混凝土中的粗骨料亦会影响到模型材料的均匀性，因而通常将骨料的最大粒径限制在较小的范围内，各级骨料粒径也相应缩小。

    2 模拟加荷载

    结构模型破坏试验的荷载，通常不是固定在某一数值，而是逐渐加大直至模型破坏为止，因此荷载要求是可变的。施加荷载的设备与常规弹性应力模型试验相似，即可采用液压、气压或油压千斤顶组。为了安全起见，破坏试验不用水银加荷载，大都采用千斤顶组。自重必须先施加或与水荷载同时施加，不能采用各自加荷载然后将成果叠加的方法，因为破坏试验时材料已超过弹性阶段。且对重力式挡水结构来说，未加自重就施加水压，结构将会很快遭到破坏，这种破坏条件不反映实际情况。

    3 破坏试验成果的修正问题

    修正的原理是考虑到混凝土与石膏均脆性材料，它们受拉的应力应变曲线以及抗拉破坏形态均比较相似，只是石膏抗拉强度偏高，这样，可在它的荷载-应变关系曲线上，根据混凝土的弹塑性特点及极限拉伸值来控制或判别材料的开裂荷载，从而对抗裂安全系数进行近似的修正。

    参考文献：

    [1]同济大学，混凝土结构设计原理，中国建筑工业出版社。

    [2]任青文，《水利学报》，2007年，《高拱坝安全性研究现状及存在问题分析》。

    [3]杨令强，《水电能源科学》，2007，《高拱坝破坏分析研究综述》。