重力坝均匀冲击破坏模型试验研究

顾培英， 邓 昌， 肖仕燕， 汤 雷， 王 建

(1.南京水利科学研究院，南京 210029； 2.水利部水科学与水工程重点实验室，南京 210029)

重力坝均匀冲击破坏模型试验研究

顾培英1,2， 邓 昌1,2， 肖仕燕1,2， 汤 雷1,2， 王 建1,2

(1.南京水利科学研究院，南京 210029； 2.水利部水科学与水工程重点实验室，南京 210029)

采用逐级递增循环均匀冲击加载方式，研究重力坝模型的破坏特征、自振频率与模态振型变化规律、最大加速度响应与冲击能间关系。试验表明，随着冲击能的增加，坝体依次出现砂浆掉皮、掉皮区扩大、上部细小裂缝、上部裂缝扩展及贯通、上部坝体断裂、中部细小裂缝、中部裂缝扩展及贯通、中部坝体断裂；自振频率随冲击能增加而降低，冲击后模态振型前二阶变化较小，第三阶变化较大；冲击作用下坝颈最大加速度响应最大；响应趋势与损伤程度有关，冲击能逐渐增加，无损伤或损伤较轻部位响应依次为增加、减小、变化不大或略有增加，损伤较重部位依次为略有降低、增加、减小、变化不大或略有增加。

冲击荷载；振动；破坏；重力坝

大坝由于显著的政治经济效益，一直是局部战争或恐怖袭击重点攻击对象。其安全防护一直是国家总体安全战略重要组成部分。在恐怖袭击及意外爆炸事件中，大坝可能遭受来自火箭弹、空投炸弹和洲际导弹的空中爆炸袭击，也可能遭受来自鱼雷、水雷和潜射导弹的水下爆炸袭击。此外，大坝大多处于高烈度地震区，洪水、山体滑坡、滚石等灾害频繁。对于建筑物也会受到偶然或人为引起的冲击荷载作用，结构或构件表现出不同于常规荷载作用下的破坏特征及受力性能。为适应城市对国防、反恐、治安、消防等需求，一些超高层建筑于屋顶设有直升机停机坪，所以设计时应考虑直升机粗猛着陆时的冲击载荷[1]。

理论研究、数值仿真的可信度有赖于假设条件及本构模型的合理性，试验研究仍为获得结构动态响应及破坏特征参数的重要手段。国内外对混凝土材料动态力学性能进行了大量试验研究[2]。混凝土结构或构件冲击性能试验研究大多采用落锤冲击方法。王新武等[3]通过跨中施加落锤冲击荷载方法研究带覆土无黏结部分预应力混凝土梁的抗冲击性能。张望喜等[4]利用轻气炮装置进行钢管混凝土柱模型冲击试验，获取构件冲击荷载下的应变时程曲线和破坏形态。涂劲松等[5]对简支钢管混凝土跨中挠度进行了落锤冲击试验分析。任晓虎等[6-7]分别对高温作用后的钢管混凝土短柱、梁进行落锤冲击试验研究。施劲松等[8]采用φ100 mm分离式霍普金森压杆装置，对不同温度后的混凝土进行冲击压缩实验，分析了冲击弹速和温度对试件冲击破碎能耗、破坏形态及碎块分形维数的影响。李立军等[9]也对钢管混凝土抗侧向冲击性能及破坏特征进行了试验研究。赵德博等[10]重点研究落锤冲击质量和冲击速度对钢筋混凝土梁抗冲击性能的影响。

近年来也开展不少关于爆炸冲击荷载试验方面的研究，高福银等[11]对金属圆柱壳进行了侧向爆炸冲击动力屈曲实验研究，分析了不同壁厚金属圆柱壳在不同爆炸距离下的变形历程、最终变形模式。纪冲等[12-13]研究了不同装药条件下的金属圆柱壳变形破坏特征和模式。李国强等[14]通过现场爆炸试验，分析不同炸药当量、炸药安置距离、试件轴压比、混凝土强度等级、含钢率等对钢管混凝土柱变形性能的影响。李利莎等[15]针对底部固定、周边无约束砖墙模型，通过爆炸震动冲击试验台的三向单独冲击试验，研究砖墙模型的动态响应及破坏时加速度峰值、作用时间，得到爆炸冲击震动作用下的砖墙破坏模式及阈值。李猛深等[16]利用爆炸压力模拟器对钢筋混凝土简支梁进行爆炸冲击实验，分析了变形破坏特征、钢筋作用机理和对变形破坏的影响。陈万祥等[17]研究了钢筋混凝土的钢筋类型、配筋率及爆炸荷载峰值等因素对破坏形态、跨中位移、加速度及钢筋应变的影响。

黄小武等[18]通过室内混凝土边坡模型试验，分析了爆炸荷载作用下预裂缝对岩质边坡应力应变的影响，以及不同延期时间下岩质边坡应变峰值的变化。 张社荣等[19]通过混凝土重力坝水下爆炸和空中爆炸全耦合数值仿真模型，在对比分析不同介质传播特性的基础上，研究水下和空中爆炸冲击波对大坝动态响应及损伤程度的影响。研究表明，水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝动态响应及损伤程度均比空中爆炸冲击时大。此外，考虑炸药、流体、结构间的动态耦合及混凝土高应变率效应，采用SPH-FEM(Smooth Particle Hydmdynamics-Finite Element Method)耦合方法，其中SPH法模拟爆炸近区坝体大变形，FEM法模拟远场坝体响应，构建混凝土重力坝水下接触爆炸全耦合模型，对水下接触爆炸下的大坝动态响应及毁伤特性进行分析[20]。

混凝土结构局部损伤与整体破坏间的关系一直是工程界研究热点，顾培英等近几年提出了一种基于重整化群理论的混凝土结构整体安全评价方法[21-22]，对板式结构冲击破坏已开展了相关研究[23-24]。本文针对重力坝模型，通过均匀冲击系列动荷载试验，采用逐级递增循环冲击加载方式，重点研究冲击荷载作用下模型坝的破坏特征，以及最大加速度响应与冲击能间的关系。此外，冲击荷载作用后还进行了模态试验，比较分析了结构自振频率、模态振型变化规律。

1 试验方案

1.1 试件制备

本试验模型模拟枫树重力坝某坝段，制作3个砂浆模型(编号依次为D1、D2、D3)，模型尺寸为230 mm(坝段长)×630 mm(坝底厚)×750 mm(坝高)。通过搅拌机搅拌砂浆，在植有7根螺栓的钢板上采用木模浇筑成型，保证砂浆坝体与钢板间的良好锚固。通过模型材料力学性能试验，测得重力坝模型弹性模量21.3 GPa，抗压强度29.7 MPa，泊松比0.14。

1.2 试验装置

振动试验装置包括激励装置、传感及信号放大设备、信号采集设备、信号分析系统。试验选用自行设计的冲击板、CA-YD-107加速度传感器、INV-8 多功能抗混滤波放大器、INV306U-6260智能信号采集处理分析仪、DASP智能数据采集和信号分析系统。模态试验选用MSC-1小弹性力锤。试验中还需兼顾其他同步测试项目，如高速摄影、声发射、应变，此处略。

模型底钢板与基础底座钢板通过螺栓固定连接，近似模拟坝基固定状态。对重力坝模型迎水面施加均匀冲击荷载，激励装置自行设计，为选择更为合适的加载板，首先对D1坝进行预试验，最后确定采用5块230 mm(长)×140 mm(宽)×40 mm(厚)钢板作为D2坝、D3坝的加载板，每块加载板分别用2根角钢悬吊，且悬吊高度一致，试验中每块加载板采用2只电磁铁吸住，当5块加载板调整到合适高度后10只电磁铁同时断电，以确保诸加载板同步冲击模型。均匀冲击激励装置照片、设计示意图分别如图1(a)、图1(b)所示。

考虑加载板间的相互作用及摆臂变形、摩擦力等影响，应用HX-3型高速摄像机测得各加载板接触时刻及瞬时冲击速度。结果表明，各加载板基本同时接触加载面；一般情况下冲击速度差异不大，可近似认为冲击力均匀，根据冲击速度、加载板质量计算冲击能，加载板提升高度与平均冲击能关系曲线如图2所示，为便于定位不同冲击能对应的加载板位置，图中加载板提升高度h以板内侧边缘为基准(与重心高度略有差异)，共5组工况，分别对应着加载板提升高度h为150 mm、300 mm、450 mm、600 mm、750 mm。摆臂冲击能较小，约为加载板的5.13%，故忽略其影响。由于D1坝为预试验，所以重点分析D2坝、D3坝的试验结果。由图2可知，D3坝工况1、工况2冲击能比D2坝大，分别大15.5%、7.6%；工况3相近；工况4、工况5冲击能比D2坝小，分别小10.0%、5.1%。

(a) 照片

(b) 设计示意图

模型坝水平方向布置6只加速度传感器(编号为1#～6#)，分别位于坝顶、下游面中心位置，为便于了解竖向加速度影响，在坝顶、底座处竖向各布置1只加速度传感器(编号为7#、8#)，如图3所示。图中照片还包括声发射传感器、高速摄像靶标、动态应变测量系统，研究结果将另文发表，此处略。

图2 加载板提升高度与平均冲击能关系曲线

Fig.2 Relationship between lifting height and average impact energy of load plate

2 试验结果及分析

2.1 破坏特征分析

本文研究冲击破坏问题，结构非线性不容忽视，所以加载过程至关重要，采用逐级递增循环冲击加载方式，加载过程及破坏描述如表1所列，断裂破坏形态如图4、图5所示。

根据表1、图4和图5，并结合试验过程可知，当冲击能较小时，加载面附近局部砂浆掉皮;随着冲击能增加，砂浆掉皮区域扩大，同时坝体上部出现细小裂缝，冲击能进一步增加，上部裂缝长度延伸、宽度增加、裂缝贯通，上部坝体断裂;若初次断裂位置位于坝颈，移除坝头破坏体后，仍继续增加冲击能，则坝体中部出现细小裂缝，再次冲击，则坝体中部裂缝长度延伸、宽度增加、裂缝贯通，最后中部坝体断裂。

D2坝断裂一处，断裂位置位于2#加载区中下部，若继续冲击，只能3#～5#加载板施加冲击，冲击能不够，所以停止试验。D3坝初次断裂于坝头，之后2#～5#加载板继续施加冲击，再次断裂位于坝体中部。

(a)加载面(b)加速度传感器布置图(c)坝段右断面照片(d)坝段左断面及下游面照片

表1 加载过程及破坏描述

(a) 断裂破坏照片

(b) 移除上部破坏体照片

(c) 右断面和下游面裂缝图

(d) 左断面和上游面裂缝图

(a) 初次断裂破坏照片

(b) 最终断裂破坏体照片

(c) 右断面和下游面裂缝图

(d) 左断面和上游面裂缝图

图5 D3坝断裂破坏形态

Fig.5 Break failure shapes of D3 dam

相对而言，D3坝比D2坝破坏严重。除了可能的模型制作差异外，主要是由于前二组工况D3坝冲击能偏大，D3坝累积损伤较重。

2.2 自振频率及模态振型分析

对坝体初始状态及每次冲击后均进行了模态试验，自振频率列于表2。由表2可知，随着冲击能增加，各阶自振频率降低，D2坝、D3坝降低幅度分别为初始状态下的0.5%～13.8%、6.0%～15.7%。由于D3坝前二组工况冲击能偏大，损伤及累积损伤较重，因而自振频率降低幅度也偏大。

表2 坝体初始状态及断裂前各工况冲击后的自振频率

D2、D3初始状态及断裂前各工况冲击后的模态振型曲线分别如图6、图7所示。一阶振型是近似以坝基为固端的横向摆动；二阶振型是近似以坝高中部为节点的横向摆动，上部模态值相对较大；三阶振型是近似以坝基为固端、坝高中上部为节点的横向弯曲。由于基础底座与地面通过角钢连接，底座及坝基具有一定的弹性，非理想中的固定状态，这对一阶、三阶振型影响不大，但对二阶振型影响较大。

(a) 第一阶

(b) 第二阶

(c) 第三阶

(a) 第一阶

(b) 第二阶

(c) 第三阶

D2、D3坝冲击后的模态振型曲线与初始状态相比，前二阶变化较小，尤其是冲击能较小时(即工况1后、工况2后)，第三阶模态振型曲线变化较大。D3工况3后模态振型曲线变化偏大，尤其是第三阶，这与D3累积损伤较重有关。

2.3 加速度响应分析

图8为典型均匀冲击作用下加速度响应时程曲线。根据图8，大多数测点加速度响应分三组响应区，三组响应时间相近，D2、D3各测点响应总时间平均为29 ms。

最大加速度响应与冲击能关系曲线如图9所示。根据图9曲线趋势可知，D2、D3坝规律相似，相对于坝基6#测点而言，自坝基向上最大加速度响应有所增加，至坝高中部附近响应略有降低，后又迅速增加，于坝颈截面突变处达2#测点最大，至坝顶大多数响应迅速减小。D2、D3坝颈最大加速度响应分别为423.7g、478.4g，平均为451.1g。

图8 典型均匀冲击作用下加速度响应时程曲线

Fig.8 Time history curve of acceleration response by uniform shock

(a) D2

(b) D3

Fig.9 Relationship between the maximum of acceleration response and impact energy

根据图9(a)可知，D2坝冲击能较小时，加速度响应随冲击能增加而增加，冲击能达一定程度后，加速度响应减小，冲击能继续增加，除坝颈及其下一个(即2#、3#)测点除外，其他响应变化不大或略有增加。根据图9(b)可知，D3坝顶及下部加速度响应规律与D2坝相似，即冲击能较小时，响应随冲击能增加而增加，冲击能达一定程度后，加速度响应减小，冲击能继续增加，坝体下部响应又略有增加(此时坝顶已断裂)；D3坝体中部及上部加速度响应随冲击能增加而略有降低，冲击能继续增加，响应又会增加，冲击能达一定程度后，加速度响应减小，继续增加冲击能，响应变化不大或略有增加。该规律是由坝体破坏特征决定的，D2、D3坝差异主要是因为D3坝工况1、工况2冲击能比D2大，D3累积损伤较重，尤其是坝颈部位。

总的来说，最大加速度响应趋势跟坝体部位损伤程度有关，对于无损伤或损伤较轻部位，冲击能较小时，加速度响应随冲击能增加而增加，冲击能达一定程度后，加速度响应减小，冲击能继续增加，大多数响应变化不大或略有增加；对于损伤较重部位，冲击能较小时，加速度响应随冲击能增加而略有降低，冲击能继续增加，响应又会增加，冲击能达一定程度后，加速度响应减小，继续增加冲击能，响应变化不大或略有增加。

3 结 论

本文通过自行设计的均匀冲击荷载试验装置，采用逐级递增循环冲击加载方式，研究系列冲击荷载作用下砂浆重力坝模型的破坏特征、结构自振频率与模态振型变化规律、最大加速度响应与冲击能关系。主要结论如下：

(1) 冲击能较小时，加载面附近局部砂浆掉皮，随着冲击能增加，砂浆掉皮区域扩大，同时坝体上部出现细小裂缝，冲击能进一步增加，上部裂缝长度延伸、宽度增加、裂缝贯通，上部坝体断裂，若初次断裂位于坝头，移除破坏体后，仍继续增加冲击能，则坝体中部出现细小裂缝，再次冲击，则中部裂缝长度延伸、宽度增加、裂缝贯通，最后中部坝体断裂。

(2) 自振频率随着冲击能增加而降低，降低幅度为初始状态下的0.5%～15.7%。相对于初始状态，冲击后的模态振型曲线前二阶变化较小，尤其是冲击能较小时，第三阶模态振型曲线变化较大。

(3) 加速度响应时程曲线分三组响应区，三组响应时间相近，总时间平均29 ms。相对于坝基而言，坝基向上最大加速度响应有所增加，至坝高中部附近响应略有降低，后又迅速增加，于坝颈处达最大，平均为451.1g，至坝顶又迅速减小。最大加速度响应趋势跟坝体部位损伤程度有关，对于无损伤或损伤较轻部位，冲击能较小时，加速度响应随冲击能增加而增加，冲击能达一定程度后，加速度响应减小，冲击能继续增加，大多数响应变化不大或略有增加；对于损伤较重部位，冲击能较小时，加速度响应随冲击能增加而略有降低，冲击能继续增加，响应又会增加，冲击能达一定程度后，加速度响应减小，仍继续增加冲击能，响应变化不大或略有增加。

[1] 军用永备直升机机场场道工程建设标准:GJB 3502—1998[S]. 北京:中国人民解放军总后勤部，1998.

[2] 宁建国，商霖，孙远翔. 混凝土材料冲击特性的研究[J]. 力学学报，2006, 38(2):199-208.

NING Jianguo, SHANG Lin, SUN Yuanxiang. Investigation on impact behavior of concrete[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2006, 38(2):199-208.

[3] 王新武，李砚召. 带覆土预应力混凝土梁抗冲击试验[J]. 华中科技大学学报(自然科学版)，2008, 36(9):113-116.

WANG Xinwu, LI Yanzhao. Experimental study on anti-impact properties of a partially prestressed concrete beam with covering soil[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Nature Science), 2008, 36(9):113-116.

[4] 张望喜，单建华，陈荣，等. 冲击荷载下钢管混凝土柱模型力学性能试验研究[J]. 振动与冲击，2006, 25(5):96-101.

ZHANG Wangxi, SHAN Jianhua, CHEN Rong, et al. Experimental research on mechanical behavior of concrete filled steel tubes model under impact load[J]. Journal of Vibration and Shock, 2006, 25(5):96-101.

[5] 涂劲松，穆启华，李珠，等. 钢管混凝土侧向冲击荷载下的变形分析及简化计算[J]. 太原理工大学学报，2007, 38(2):156-159.

TU Jinsong, MU Qihua, LI Zhu, et al. Deformation analysis and simplifying computation of concrete-filled steel tube under lateral impact load[J]. Journal of Taiyuan University of Technology, 2007, 38(2):156-159.

[6] 任晓虎，霍静思，陈柏生. 高温后钢管混凝土短柱落锤动态冲击试验研究[J]. 振动与冲击，2011, 30(11):67-73.

REN Xiaohu, HUO Jingsi, CHEN Baisheng. Dynamic behaviors of concrete-filled steel tubular stub columns after exposure to high temperature[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(11):67-73.

[7] 任晓虎，霍静思，陈柏生. 火灾下钢管混凝土梁落锤冲击试验研究[J]. 振动与冲击，2012, 31(20):110-115.

REN Xiaohu, HUO Jingsi, CHEN Baisheng. Anti-impact behavior of concrete-filled steel tubular beams in fire[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(20):110-115.

[8] 施劲松，许金余，任韦波，等. 高温后混凝土冲击破碎能耗及分形特征研究[J]. 兵工学报，2014, 35(5):703-710.

SHI Jinsong, XU Jinyu, REN Weibo, et al. Research on energy dissipation and fractal characteristics of concrete after exposure to elevated temperatures under impact loading[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35(5):703-710.

[9] 李立军，王蕊. 钢管混凝土结构构件耐撞性能的试验研究[J]. 北京理工大学学报，2012, 32(10):1018-1021.

LI Lijun, WANG Rui. Experimental study on the impact resistance property of concrete filled steel tubes[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2012, 32(10):1018-1021.

[10] 赵德博，易伟建. 钢筋混凝土梁抗冲击性能和设计方法研究[J]. 振动与冲击，2015, 34(11):139-145.

ZHAO Debo, YI Weijian. Anti-impact behavior and design method for RC beams[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(11):139-145.

[11] 高福银，龙源，纪冲，等. 侧向爆炸荷载下金属圆柱壳动力屈曲模态的实验研究[J]. 振动与冲击，2013, 32(24):117-121.

GAO Fuyin, LONG Yuan, JI Chong, et al. Test for dynamic buckling modes of a metallic cylindrical shell subjected to lateral explosion[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32(24):117-121.

[12] 纪冲，徐全军，万文乾，等. 钢质圆柱壳在侧向爆炸荷载下的动力响应[J]. 爆炸与冲击，2014, 34(2):137-144.

JI Chong, XU Quanjun, WAN Wenqian, et al. Dynamic responses of steel cylindrical shells under lateral explosion loading[J]. Explosion and Shock Waves，2014, 34(2):137-144.

[13] 纪冲，龙源，刘影，等. 充液及内空圆柱壳在爆炸荷载下动力屈曲特性研究[J]. 振动与冲击，2014, 33(2):76-80.

JI Chong, LONG Yuan, LIU Ying, et al. Dynamic buckling of liquid-filled and hallow thin-wall cylindrical shells subjected to explosion loading[J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(2):76-80.

[14] 李国强，瞿海雁，杨涛春，等. 钢管混凝土柱抗爆性能试验研究[J]. 建筑结构学报，2013, 34(12):69-76.

LI Guoqiang, QU Haiyan, YANG Taochun, et al. Experimental study of concrete-filled steel tubular columns under blast loading[J]. Journal of Building Structures, 2013, 34(12):69-76.

[15] 李利莎，张洪海，谢清粮，等. 砖墙抗爆炸冲击震动效应模型试验研究[J]. 振动与冲击，2015, 34(2):204-209.

LI Lisha, ZHANG Honghai, XIE Qingliang, et al. Model experiments on blast shock vibration resistance of masonry wall[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(2):204-209.

[16] 李猛深，李杰，李宏，等. 爆炸荷载下钢筋混凝土梁的变形和破坏[J]. 爆炸与冲击，2015, 35(2):177-183.

LI Mengshen, LI Jie, LI Hong, et al. Deformation and failure of reinforced concrete beams under blast loading[J]. Explosion and Shock Waves, 2015, 35(2):177-183.

[17] 陈万祥，卢红标，候小伟，等. 高强钢筋加强混凝土板抗爆性能试验研究[J]. 振动与冲击，2015, 34(10):135-141.

CHEN Wanxiang, LU Hongbiao, HOU Xiaowei, et al. Tests for anti-blast performance of concrete slabs with high-strength reinforcements under blast loading[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(10):135-141.

[18] 黄小武，钟冬望，殷秀红，等. 混凝土边坡爆破试验动态应变测试及分析术[J]. 爆破，2014, 31(2):32-36.

HUANG Xiaowu, ZHONG Dongwang, YIN Xiuhong, et al. Dynamic strain test and analysis of concrete slope blasting test[J]. Blasting, 2014, 31(2):32-36.

[19] 张社荣，孔源，王高辉. 水下和空中爆炸时混凝土重力坝动态响应对比分析[J]. 振动与冲击，2014, 33(17):47-54.

ZHANG Sherong, KONG Yuan, WANG Gaohui. Dynamic responses of a concrete gravity dam subjected to underwater and air explosions[J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(17):47-54.

[20] 张社荣，孔源，王高辉，等. 混凝土重力坝水下接触爆炸下的毁伤特性分析[J]. 水利学报，2014, 45(9):1057-1065.

ZHANG Sherong, KONG Yuan, WANG Gaohui, et al. Damage characteristic analysis of concrete gravity dams subjected to underwater contact explosion[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(9):1057-1065.

[21] 顾培英，黄勤红，邓昌，等. 基于重整化群的水工混凝土结构整体破坏概率研究[J]. 水利水运工程学报，2010(4):1-5.

GU Peiying, HUANG Qinhong, DENG Chang, et al. Damage probability of hydraulic concrete structure based on renormalization group theory[J]. Hydro-Science and Engineering,2010(4):1-5.

[22] GU Peiying, DENG Chang, TANG Lei. Determination of local damage probability in concrete structure[J]. Procedia Engineering,2012,28:489-493.

[23] 顾培英，邓昌，章道生, 等. 砂浆板冲击破坏试验研究[J]. 振动与冲击，2015, 34(6):177-182.

GU Peiying, DENG Chang, ZHANG Daosheng, et al. Damage tests for a cement mortar plate under shock load[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(6):177-182.

[24] 章道生，顾培英，邓昌，等. 砂浆板冲击荷载下声发射定位试验研究[J]. 科学技术与工程，2015,15(9):56-62.

ZHANG Daosheng, GU Peiying, DENG Chang, et al. Test study on acoustic emission location of cement mortar plate by shock load[J]. Science Technology and Engineering, 2015,15(9):56-62.

Damage model tests for a gravity dam under uniform shock load

GU Peiying1,2, DENG Chang1,2, XIAO Shiyan1,2, TANG Lei1,2, WANG Jian1,2

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 2. Key Laboratory of Water Science and Engineering, Ministry of Water Resources, Nanjing 210029, China)

Adopting cyclic uniform shocks with increase in amplitude, the failure features, the change laws of natural frequencies and modal shapes, and the relationship between the maximum acceleration response and impact energy of a gravity dam were studied. The test results showed that phenomena including cement mortar scaling, scaling region enlarging, minor cracks at upper part, upper part cracks enlarging and penetrating, upper part breaking, minor cracks at middle part, middle part cracks enlarging and penetrating, and middle part breaking appear in proper order; natural frequencies decrease with increase in impact energy; changes of the first two modal shapes are smaller after shock, the third modal shape has a larger change; the location of the maximum acceleration response is dam neck; the change tendency of the maximum acceleration response is related to the damage level; with increase in impact energy, the acceleration responses at locations with no or slight damage, increase, decrease, change slightly or increase slightly in order; the acceleration responses at locations with a more heavy damage decrease, increase, decrease, change slightly or increase slightly in order.

shock load; vibration; damage; gravity dam

国家自然科学基金资助项目(51179107)

2015-10-23 修改稿收到日期：2016-03-08

顾培英 女，博士，高级工程师，1968年生

TV32

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.09.003