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。該縫位移計外形類似Ω形狀，稱之為歐米伽縫位移計.它能同時測量兩個互相垂直的微小相對位移，并成功地應(yīng)用到拱壩動力模型破壞試驗橫縫開度測量。對于光纖應(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)處理在大壩動力模型破壞試驗是可行的、可信的。

關(guān)鍵詞：模型試驗；橫縫；縫位移計；光纖應(yīng)變

中圖分類號：TV32+2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）6-0072-02

1 引 言

進行分縫拱壩模型動力破壞試驗，當(dāng)經(jīng)歷強震時，鍵槽會因強剪而錯斷，從而壩體橫縫除張開外還會發(fā)生錯動，此時測量主要關(guān)心的問題是，強震下兩接觸面的法向或切向的相對位移量。對于圖 1 U型測縫位移計，測出的是固定點間總體相對位移量，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，試驗時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位移，同時因橫縫張開包括梁向的錯動，會影響傳感器正常使用。結(jié)合拱壩仿真模型動力破壞試驗，作者設(shè)計了一歐米伽縫測縫裝置，稱之為歐米伽縫位移計。該縫位移計能同時測量兩個垂直方向的微小相對位移。它是根據(jù)歐米伽頂部外弧應(yīng)變變化，推算端頭觸角相對位移變量，且在規(guī)定的量程內(nèi)，其應(yīng)變與觸角相對位移保持良好的線性關(guān)系。

2 試驗應(yīng)用

2.1 試驗基本情況

該動力模型破壞試驗在大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點實驗室的地震模擬臺上進行。該臺為美國MTS公司產(chǎn)品，臺面尺寸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。拱壩壩體整個模型重量9噸左右。試驗?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，具有強度低、彈模低、硬化快的特點，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。試驗中可以很好地再現(xiàn)大型混凝土結(jié)構(gòu)的動力彈性- 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-錯動的關(guān)系。

2.2 傳感器計布置及地震波加載

本試驗?zāi)M兩道橫縫（如圖 3所示），分別為實際工程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處對稱共布置了8個歐米伽縫位移計。

地震波為水平順河向加載。其方案是首先用白噪聲信號掃頻確定其頻率；其次用計算機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頻率，在壩體順河向輸入0.05g正弦波；接著輸入3級場地波以及柯依那地震波；最后以0.05g初始加速度0.05g幅度逐級加載人工模擬地震波進行動力破壞試驗，包括鍵槽的剪斷。本試驗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 試驗結(jié)果

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

比較1、2號傳感器數(shù)據(jù)可知拱壩下游面：前4級人工模擬地震波，1、2號橫縫壩頂處拱向開度基本相等；第5～7級地震波2號橫縫拱向開度略大于1號橫縫；后5級地震波，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)雜的運動。地震波前7級，縫2頂部梁向錯動很?。徽麄€地震波加載工程中縫1梁向錯動要略大約縫2。

比較5、6號傳感器數(shù)據(jù)，對壩體加載地震動整個過程中，上游面橫縫1頂部不光拱向開度、梁向錯動都要大于2號橫縫。再對7、8號傳感器數(shù)據(jù)進行比較分析，人工模擬地震波前3級兩橫縫上游面據(jù)壩頂20cm處拱向、梁向相對變位基本一致；后幾級地震動下縫1拱向開度、梁向錯度要大于縫2，同時地震波第11、12級，拱向錯動有個反向縫2要大于縫1。這時因為對壩體加載人工波至11級時，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為對拱壩模型加載人工模擬地震波，1、6、8號傳感器橫縫梁向最大相對位移圖。1、6號傳感器布置在橫縫1同一高程的下游、上游面，測量的數(shù)據(jù)顯示每級人工波橫縫梁向錯動基本相等。6、8傳感器在上游面橫縫1距壩頂4cm、20cm位置處，高程越大，橫縫拱向相對位移越大，6號傳感器監(jiān)測到的梁向相對位移大約為8號的1.9倍。

圖 5為對拱壩模型加載人工模擬地震波，1、6、8號傳感器橫縫拱向最大相對位移。從監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示，上游橫縫拱向相對位移要大于下游面，隨地震波強度增加它們的相對差別有所下降趨勢。隨著高度的增加橫縫拱向相對位移也相應(yīng)的增加，6號縫位移計測量的數(shù)據(jù)大約為8號的2.1倍。隨著地震動強度的增大，鍵槽剪斷后，頂部錯動和開度增加速率差不多，下部則錯動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級橫縫相對位移很小，原因是橫縫填塞物還是處在彈性階段并沒有拉裂。第10級（對應(yīng)地震動0.5g）地震波往后壩體橫縫相對位移增長迅速，說明對模型加載地震波第10級橫縫被拉開，這與試驗?zāi)繙y的結(jié)果保持一致。

本文歐米伽測縫位移計應(yīng)變系數(shù)是通過手動每變位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)定機器描繪出應(yīng)變與相對位移關(guān)系曲線，然后進行二次數(shù)據(jù)擬合得出的標(biāo)定系數(shù)更準(zhǔn)確。

2.4 光纖應(yīng)變計應(yīng)變處理研究

光纖光柵應(yīng)變計具有抗電磁干擾、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，在傳感器領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本試驗采用封裝技術(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：試驗測試材料以及外界地震波。對于試驗材料強度很大（如：鋼材）加載地震波較小時，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。

對于試驗材料強度比較低，外界荷載比較大時，材料可能進入非線性產(chǎn)生不可恢復(fù)應(yīng)變時，上兩種初始值取法得出的應(yīng)變值就有所不同。受壓作用很強時，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，那么第一種取法計算出來的拉應(yīng)變就會變小，相應(yīng)壓應(yīng)變就會變大。反之，當(dāng)材料受拉產(chǎn)生拉向不可恢復(fù)應(yīng)變時，每次地震波前夕布拉格波長都會變大，那么第一種取法計算出來的拉應(yīng)變就會變大，相應(yīng)壓應(yīng)變就會變小。

對于仿真混凝土材料拱壩模型通過逐級加載地震波進行動力破壞試驗時，因其材料強度、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加載對壩體在已產(chǎn)生不可恢復(fù)變形之后貢獻的情況，并不能較好反映在加載該級地震動壩體應(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)變按第二種方法計算；對于產(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行得到 加上受壓不可恢復(fù)應(yīng)變，壓變按第二種方法計算（見表 2 第3欄）。

4 結(jié)論

（1） 歐米伽縫位移計能同時測量兩個垂直方向相對位移，通過標(biāo)定試驗得知：該縫位移計量程開度為5mm，錯度為3mm，測量精度能達到0.01mm。對于不同試驗具體精度、量程要求，可以自行設(shè)計相應(yīng)的歐米伽縫位移計。

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

（3）光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)處理時，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。