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本项目虚拟仿真实验为——拱坝结构模型虚拟仿真实验，拱坝结构模型实验是将拱坝原型以某一比例关系缩小成模型拱坝，然后向该模型施加与原型相关的荷载，根据从模型上获得的信息如应变、位移等，通过一定的相似关系推出原型拱坝的应力、变形强度等成果，使学生能够更深刻了解拱坝的运行特点。

拱坝结构模型实验的所有实验过程、实验场景、实验数据等核心要素均能够在虚拟仿真实验中展现，并在虚拟仿真实验中增加了原型拱坝过程的认知、实验设计、实验场景搭建等功能，使学生能够更全面的参与拱坝结构模型实验，并通过实验，对拱坝结构形式、结构特点、运行特点等有一个更深刻的认识。

本项目知识点包括三个部分，9个知识点，知识点通过实验串联，如图1所示。

图2 知识点示意图

一、拱坝部分知识点

1、拱坝的布置形式

拱坝是一空间壳体结构,坝体结构可近似看作由一系列凸向上游的水平拱圈和一系列竖向悬臂梁所组成。坝体结构既有拱作用又有梁作用。其所承受的水平荷载一部分由拱的作用传至两岸岩体，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。

图2 知识点示意图

图2 知识点示意图

2、拱坝的结构特点

拱结构是一种推力结构，在外荷作用下内力主要为轴向压力，有利于发挥筑坝材料（混凝土或浆砌块石）的抗压强度，从而坝体厚度就越薄。

拱坝是一高次超静定结构，当坝体某一部位产生局部裂缝时，坝体的梁作用和拱作用将自行调整，坝体应力将重新分配。所以，只要拱座稳定可靠，拱坝的超载能力是很高的。混凝土拱坝的超载能力可达设计荷载的5—11倍。

3、拱坝荷载

拱坝主要荷载包括以下内容：

1）水平径向荷载：静水压力、泥沙压力、浪压力及冰压力。

2）坝体自重。

3）扬压力，拱坝坝体一般较薄，坝体内部扬压力对应力影响不大，对薄拱坝通常可忽略不计。

4）温度荷载，拱坝为一超静定结构，在上下游水温、气温周期性变化的影响下，坝体温度将随之变化，并引起坝体的伸缩变形，在坝体内将产生较大的温度应力。温度荷载是拱坝设计的主要荷载。

拱坝荷载组合

荷载组合：基本组合和特殊组合两类。

拱坝的荷载组合应根据荷载同时作用的可能性，选择最不利情况。

4、拱坝应力分析

拱坝应力分析方法包括：纯拱法、拱梁分载法、有限元法、壳体理论计算方法、结构模型试验。

拱坝的应力控制指标包括：容许压应力、容许拉应力。

1）容许压应力

混凝土拱坝采用了与混凝土重力坝相同的抗压强度安全系数。据统计，国内混凝土拱坝的容许压应力一般采用4~7MPa。

2）容许拉应力

混凝土拱坝的抗拉安全系数一般均小于2.0，比混凝土重力坝取值为小。据统计，国内混凝土拱坝的容许拉应力一般采用1.0~1.5MPa。

二、模型实验部分知识点

1、结构模型实验目的

水工结构模型是将原型结构按相似原理做成模型。模型不仅要模拟建筑物及其基础的实际工作状况，同时还要考虑多种荷载组合（正常的和非正常的）以及复杂的边界条件。根据模型试验观测和采集到的应力、应变、位移等数据，再经过模型相似率的换算，则可求得原型建筑物上的力学特征，以此解决工程设计中提出的复杂结构问题。

2、相似原理

模型与原型两者必须相似，水工结构模型才能反映出原型水工结构的力学现象。所谓相似包括两个基本概念，其一是模型和原型之间的同类物理量之比为常数，称为相似常数（相似常数），最常遇到的是弹性相似，各物理量的相似常数如下表：

 

物理量名称	原型	模型	相似常数
几何尺寸
应力
位移
弹性模量
泊桑比
重力密度
面力（边界应力）
体力
力

 

相似关系的推导可知，拱坝结构模型需要满足相似条件，其相似判据有：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

其中，混凝土坝在自重和水压力作用下的相似判据有：

（1）

（2）

（3）

（4）

3、应力计算

原型上任一点应力可根据该点的一个实测应变值按下式进行计算：（不直接承受水压力的表面）

 

式中：、、分别为原型水平、垂直向正应力和剪应力

、为模型材料的弹性模量和泊松比，

、为密度和几何尺寸的相似常数；()

、和分别为模型实测的水平、垂直和45°方向的应变值。

求得、和后，再按下式求得主应力。

             

上式中：代数值较大的主应力为第一主应力。

一般电阻应变仪以拉应变为正值，压应变为负值，因而在脆性材料结构模型试验中，通常也以拉应力为正值，压应力为负值。（材料力学法，规定则相反，正应力以压为正以拉为负）。

确定应力方向角的步骤是：

首先按照图2中确定0º方向，接着画出角（当解为正值时，从0º（坐标）线逆时针旋转；当角为负值时，则顺时针旋转。根据角方向给出两条相互垂直的线，此即为两个主应力的方向线。但第一主应力的方向还要根据剪应力的符号确定，当剪应力为正值时，第一主应力在坐标的第一、三象限；当剪应力为负值时，则在第二、四象限内。

原型各点位移的计算公式为

三、实验成果分析部分

模型试验之后，将得到大量的试验数据，必须对这些资料进行整理和分析，才能做出正确的结论。拱坝结构模型实验通过应变片量测应变值确定结构的应力分量或主应力的大小和方向。