結構模型破壞實驗

史長瑩++郜迪

摘 要：結構模型破壞試驗的目的是研究結構本身的極限承載能力或安全度。結構模型破壞實驗還要研究結構的破壞形態以及其破壞的發生及發展過程，主要是找到結構的薄弱環節，從而對結構進行修改，使它的各部分材料都能最大限度的發揮作用，達到即經濟又安全的目的。

關鍵詞：破壞試驗；安全系數；破壞荷載；設計荷載；彈性階段

中圖分類號：TU756.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2016）12-0057-01

進行破壞試驗的重要目的之一就是研究結構物的實際安全度，通常所指出的安全系數。對于結構物安全度或安全系數的理解，按結構物的破壞原因，存在著兩種不同的概念。第一種結構安全度的概念認為，由于一些原因，作用于壩上外荷載超過了設計外荷載，因而使混凝土壩遭到破壞。使結構物遭到破壞時的外荷載與設計荷載之比，即為結構物的安全系數K。通常在模型上進行這種試驗的方法是，壩體自重不變，逐漸增加壩體上游面加液體的容重或水頭，直至模型破壞為止。

第二種結構安全度的概念認為，作用于結構上的外荷載超過設計荷載的機率是比較小的。比較可能的情況是，由于混凝土的不均勻或施工質量不好等等原因，指使壩體混凝土的實際號低于設計號，因而壩體在受荷載時遭到破壞。

且比較兩式，其形式是相似的，但卻有著不同的含義，前者是超載安全系數，后者是強度安全系數。欲在模型試驗中獲得強度安全系數，需在荷載不變的情況下，不斷降低模型材料強度直至破壞，但這樣做實際上是很困難的，通常的做法是在模型上將水荷載及自重以相同的比例逐漸增加直至模型破壞為止，此時破壞荷載與設計荷載之比，即為強度安全系數。上述的強度安全系數，從物理概念來說是比較清楚的，但由于它加載麻煩，故目前機構模的破壞試驗，大多數還是采用超載安全系數的試驗方法。一般來說，在數值上超載安全系數小于強度安全系數。為反應超載后的結構破壞程度及破壞過程，有時還將安全度分兩個階段來表達，前者代表結構開始出現裂縫時安全系數，稱初裂安全系數，或第一超載安全系數，后者代表結構完全喪失承載能力時的安全系數，稱潰壩安全系數或第二超載安全系數。

1 模型材料

對于混凝土結構的破壞試驗，其模型材料的物理力學特性須與混凝土相似。目前常用的模型材料有混凝土、水泥浮石混合料、石膏混合料等類型。用物理力學特性與原材料相同。但因混凝土強度及彈模均較高，故需施加較大的集中力來模擬混凝土自重。在較小的模型中，混凝土中的粗骨料亦會影響到模型材料的均勻性，因而通常將骨料的最大粒徑限制在較小的范圍內，各級骨料粒徑也相應縮小。

2 模擬加荷載

結構模型破壞試驗的荷載，通常不是固定在某一數值，而是逐漸加大直至模型破壞為止，因此荷載要求是可變的。施加荷載的設備與常規彈性應力模型試驗相似，即可采用液壓、氣壓或油壓千斤頂組。為了安全起見，破壞試驗不用水銀加荷載，大都采用千斤頂組。自重必須先施加或與水荷載同時施加，不能采用各自加荷載然后將成果疊加的方法，因為破壞試驗時材料已超過彈性階段。且對重力式擋水結構來說，未加自重就施加水壓，結構將會很快遭到破壞，這種破壞條件不反映實際情況。

3 破壞試驗成果的修正問題

修正的原理是考慮到混凝土與石膏均脆性材料，它們受拉的應力應變曲線以及抗拉破壞形態均比較相似，只是石膏抗拉強度偏高，這樣，可在它的荷載-應變關系曲線上，根據混凝土的彈塑性特點及極限拉伸值來控制或判別材料的開裂荷載，從而對抗裂安全系數進行近似的修正。

參考文獻：

[1]同濟大學，混凝土結構設計原理，中國建筑工業出版社。

[2]任青文，《水利學報》，2007年，《高拱壩安全性研究現狀及存在問題分析》。

[3]楊令強，《水電能源科學》，2007，《高拱壩破壞分析研究綜述》。