[发明专利]水工大体积混凝土结构地震振动模型材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于模拟混凝土结构地震振动作用的水工模型材料及其制备方法。特别涉及水工大体积、高耸混凝土结构，例如升船机塔楼、大坝等。

背景技术

水工建筑物的受力特征、几何形状、边界条件较为复杂，尽管电子计算机和空间有限单元法已有迅速发展，但是目前还不能用理论分析方法完美地计算其应力和稳定安全度等问题。因此结构模型试验是必不可少的手段之一。为了使模型能正确地反映原型结构的情况，原型和模型的几何、物理等条件必须满足模型相似条件。因此对模型材料的要求就显得相当重要。结构模型材料的基本要求是：与原型材料的物理力学性能相似；保证在现量测水平条件下，有足够量测精度；要求模型材料的弹模比原型小得多，并且有足够的强度和承载能力；保证模型在加荷和正常试验的量测时间内，无显著的徐变产生；物理、力学、化学、热学等性能稳定，力求不受时间、温度、湿度等变化的影响；易加工、经济、易取。

在水工模型试验中，很多情况下都要模拟水的作用，众所周知，若在模型结构中按一定的相似缩尺模拟水材料，是十分困难的，即便可以做到，也是代价很大的。因此，在可能的情况下，尤其是动力相互作用试验研究时，原型中水的作用尽可能在模型中仍用水来模拟。因此，要求其重度相似比C_γw＝1，这也就意味着强制要求结构模型材料的重度（密度、比重）要等于原型材料的数值。例如要求在水工模型中模拟混凝土的材料的重度也要达到24kN/m³。另一方面，由于加载设备的限制和量测精度的要求，希望模型结构材料弹模相对要低、材料强度适当。此外，还有防渗、温度和湿度稳定性等需要。鉴于上述原因，对结构－水相互作用体系的模型试验研究，对水工混凝土的模型材料，提出了高重度、低弹模、强度适当、防渗、稳定等严酷要求。

一般能够用作水工结构模型的材料可以分为以下几类：石膏类等脆性材料；橡胶类材料；高分子材料如有机玻璃和塑料等；由胶凝材料和其他材料合成的复合材料。这些材料都有各自的特点和物理特性，下面就简单说明这些材料的性质并讨论各类材料的适用性。

石膏类等脆性材料：这种材料以石膏为主，可以加入其他一些材料。材料的重度一般为3.5~24kN/m³或者可以更高。弹模的变化范围一般为200~10000MPa左右，材料泊松比比较接近0.2。这种材料弹模和重度变化范围很广，而且材料弹模基本不会随着温度、湿度和时间的变化而有很大的变化，同时材料也便于成型，易于加工。但是这类材料的防水性比较差，因此无法用于模拟水与结构相互作用情况下模型试验。

 橡胶类材料：这类材料的重度可以达到14~24kN/m³或者更高，材料弹模一般在几十到几百MPa，动、静弹模之比约为1.4~1.8或更大，泊松比比较大，可能达到0.35~0.45，同时阻尼比也比较大。这类材料的弹模比较小，但是这类材料的温度稳定性比较差，而且材料的非线性特性影响显著，所以不适合对线性度要求比较高的模型试验。

 高分子材料：这类材料以有机玻璃和塑料为代表。材料的弹模在500~5000MPa左右，动、静弹模之比在1.4左右，泊松比在0.3~0.5，材料重度一般在1.0~1.5kN/m³，当加入加重材料时，也能使材料的重度提高。这类材料的强度较大，宜于做成框架类轻型结构。材料也有较好的防水性，不过温度稳定性比较差，不容易做成大型块体结构。

复合材料：这类材料是一种混合材料，由胶凝材料和其他一些加重和填充材料混合而成，在材料中还可以加入一些改性材料，使混合材料能够达到试验材料的要求。这类材料比较广泛，研制的人也比较多，但是一般都是针对具体试验要求来研制适合试验的材料。

国内科研院所以及大学中在研究大体积水工混凝土结构模型试验时，基本采用加重橡胶材料满足弹性要求，以及利用重晶石粉作填料，满足密度要求。

上个世纪70年代，意大利E.富马加利教授，在其《静力学模型与地力学模型》一书中介绍了利用树脂与一些填料（如石英砂、软木屑、聚苯乙烯等），可以配置泊松比接近混凝土或钢材的模型材料，同时对弹性模型也做了简单介绍，但关于重度情况、浇注制作工艺、以及是否适用于结构与水相互作用地震振动模型试验均未涉及。

在此基础上，检索了相关的专利文献和报导，国内外的水工混凝土结构模型材料还没有直接以重晶石粉和铁粉等加重材料与环氧树脂进行配制的，用于水工大体积混凝土结构有水与无水条件下的静动力模型试验。

发明内容