[發明專利]水工大體積混凝土結構地震振動模型材料

無效

• 申請號: 201210488582.3
• 申請日: 2012-11-26
• 公開（公告）號: CN102942333A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 宮必寧;鄭人逢;孫青;謝義華;律清
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: C04B26/14
• 分類號: C04B26/14;C04B24/34;C04B24/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹翠珍

技術領域

本發明涉及一種用于模擬混凝土結構地震振動作用的水工模型材料及其制備方法。特別涉及水工大體積、高聳混凝土結構，例如升船機塔樓、大壩等。

背景技術

水工建筑物的受力特征、幾何形狀、邊界條件較為復雜，盡管電子計算機和空間有限單元法已有迅速發展，但是目前還不能用理論分析方法完美地計算其應力和穩定安全度等問題。因此結構模型試驗是必不可少的手段之一。為了使模型能正確地反映原型結構的情況，原型和模型的幾何、物理等條件必須滿足模型相似條件。因此對模型材料的要求就顯得相當重要。結構模型材料的基本要求是：與原型材料的物理力學性能相似；保證在現量測水平條件下，有足夠量測精度；要求模型材料的彈模比原型小得多，并且有足夠的強度和承載能力；保證模型在加荷和正常試驗的量測時間內，無顯著的徐變產生；物理、力學、化學、熱學等性能穩定，力求不受時間、溫度、濕度等變化的影響；易加工、經濟、易取。

在水工模型試驗中，很多情況下都要模擬水的作用，眾所周知，若在模型結構中按一定的相似縮尺模擬水材料，是十分困難的，即便可以做到，也是代價很大的。因此，在可能的情況下，尤其是動力相互作用試驗研究時，原型中水的作用盡可能在模型中仍用水來模擬。因此，要求其重度相似比C_γw＝1，這也就意味著強制要求結構模型材料的重度（密度、比重）要等于原型材料的數值。例如要求在水工模型中模擬混凝土的材料的重度也要達到24kN/m³。另一方面，由于加載設備的限制和量測精度的要求，希望模型結構材料彈模相對要低、材料強度適當。此外，還有防滲、溫度和濕度穩定性等需要。鑒于上述原因，對結構－水相互作用體系的模型試驗研究，對水工混凝土的模型材料，提出了高重度、低彈模、強度適當、防滲、穩定等嚴酷要求。

一般能夠用作水工結構模型的材料可以分為以下幾類：石膏類等脆性材料；橡膠類材料；高分子材料如有機玻璃和塑料等；由膠凝材料和其他材料合成的復合材料。這些材料都有各自的特點和物理特性，下面就簡單說明這些材料的性質并討論各類材料的適用性。

石膏類等脆性材料：這種材料以石膏為主，可以加入其他一些材料。材料的重度一般為3.5~24kN/m³或者可以更高。彈模的變化范圍一般為200~10000MPa左右，材料泊松比比較接近0.2。這種材料彈模和重度變化范圍很廣，而且材料彈模基本不會隨著溫度、濕度和時間的變化而有很大的變化，同時材料也便于成型，易于加工。但是這類材料的防水性比較差，因此無法用于模擬水與結構相互作用情況下模型試驗。

?橡膠類材料：這類材料的重度可以達到14~24kN/m³或者更高，材料彈模一般在幾十到幾百MPa，動、靜彈模之比約為1.4~1.8或更大，泊松比比較大，可能達到0.35~0.45，同時阻尼比也比較大。這類材料的彈模比較小，但是這類材料的溫度穩定性比較差，而且材料的非線性特性影響顯著，所以不適合對線性度要求比較高的模型試驗。

?高分子材料：這類材料以有機玻璃和塑料為代表。材料的彈模在500~5000MPa左右，動、靜彈模之比在1.4左右，泊松比在0.3~0.5，材料重度一般在1.0~1.5kN/m³，當加入加重材料時，也能使材料的重度提高。這類材料的強度較大，宜于做成框架類輕型結構。材料也有較好的防水性，不過溫度穩定性比較差，不容易做成大型塊體結構。

復合材料：這類材料是一種混合材料，由膠凝材料和其他一些加重和填充材料混合而成，在材料中還可以加入一些改性材料，使混合材料能夠達到試驗材料的要求。這類材料比較廣泛，研制的人也比較多，但是一般都是針對具體試驗要求來研制適合試驗的材料。

國內科研院所以及大學中在研究大體積水工混凝土結構模型試驗時，基本采用加重橡膠材料滿足彈性要求，以及利用重晶石粉作填料，滿足密度要求。

上個世紀70年代，意大利E.富馬加利教授，在其《靜力學模型與地力學模型》一書中介紹了利用樹脂與一些填料（如石英砂、軟木屑、聚苯乙烯等），可以配置泊松比接近混凝土或鋼材的模型材料，同時對彈性模型也做了簡單介紹，但關于重度情況、澆注制作工藝、以及是否適用于結構與水相互作用地震振動模型試驗均未涉及。

在此基礎上，檢索了相關的專利文獻和報導，國內外的水工混凝土結構模型材料還沒有直接以重晶石粉和鐵粉等加重材料與環氧樹脂進行配制的，用于水工大體積混凝土結構有水與無水條件下的靜動力模型試驗。

發明內容