大坝混凝土动态特性试验研究的现状与分析

以上研究成果大部分是基于普通混凝土，大坝混凝土属于大体积全级配混凝土，一般采用三级配或四级配的配合比，其最大骨料尺寸分别为80mm及150mm。而全级配（四级配）混凝土其粗骨料含量一般高达60%～70%，而普通混凝土中的粗骨料用量含量仅30%～40%。湿筛小试件则筛除了其中粒径大于40mm的骨料。湿筛法改变了混凝土中各相材料的组成比例，特别是水泥砂浆含量与骨料含量的比例产生了相当大的变化，使得室内试验测试的各类性能指标不能真正代表和反映大坝混凝土的实际性能指标。因此，大坝混凝土的强度、弹性模量等特性的测试，必须采用多粒组骨料的全级配混凝土来进行。

地震作用对材料动态特性的影响主要表现在两个方面：一是加荷速率高；二是正负交变往复多次。强震区的高拱坝，其自振频率较低，如高292m的小湾拱坝，基本周期接近1.0s，高278m的溪洛渡拱坝，基本周期约为0.80s。在强震作用下，拱坝中上部会出现很大的动应力，其值可达6.0～7.0MPa。因此，在1/4周期达到混凝土材料的极限强度，其加载速率可达24～28MPa/s，与常规静态拉伸试验采用的0.4MPa/min相比，加载速率提高了3600～4200倍。目前，大体积混凝土材料动态特性试验特别是在地震作用下的低周疲劳影响研究成果较少。但国内外对湿筛小试件的有关试验成果（陈厚群等，1990、2000、2004）显示：

（1）无论是干或湿试件，地震时的动态抗压强度增长可达30%，这已为国内外工程界所接受，并反映在我国DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》中。

（2）多数资料表明，混凝土动态抗拉强度的增长要比抗压强度增长得多，弯拉强度的增长与轴向抗拉强度的增长相当。

（3）混凝土的动态强度随加载速率的提高而增加。高拱坝的基本周期较长，动应力生长相对较慢，在混凝土材料动态特性试验中应予以考虑。

有关大坝混凝土材料的动力特性试验研究在国内外开展的非常少，是抗震安全评价的薄弱环节。从20世纪40年代美国开始进行全级配大坝混凝土研究，50年代后期，日本的Hatano（1959、1960）针对混凝土坝对混凝土动态抗压和动态抗拉强度进行了比较全面的研究，注意到了加载速率对混凝土动态强度的重要影响，至70年代中期，美国垦务局制定的混凝土重力坝和拱坝的设计规范中明确规定，在进行大坝混凝土的强度、弹性模量等特性测试时，必须采用包括全部骨料的全级配混凝土，同时规定试件最小尺寸必须大于骨料粒径的3倍。前苏前在80年代也进行了大坝全级配混凝土试验研究。早期对混凝土动态力学特性进行试验主要采用湿筛混凝土小试件，后期还在实际大坝上钻孔取样进行全级配混凝土动态力学试验，其中最有标志性的成果是Raphael（1984）所进行的试验，他在5座西方混凝土坝中钻孔取样进行动力试验，在0.05s内加载到极限强度（相当于5Hz的大坝振动频率），得出动态抗压强度较静强度平均提高31%；直接拉伸强度平均提高66%，劈拉强度平均提高45%，试验结果有一定离散性。Raphael（1984）的早期研究成果在美国、日本等国设计规范中得到反映。我国现行的DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》有关混凝土动态力学特性的规定也是源于此成果。(www.xing528.com)

Harris等人（2000）研究了从坝芯取样的大体积混凝土动力特性，与Raphael（1984）的结果明显不同，前者的动强度提高因子明显小于后者，且强度和弹性模量离散性大，规律性差。Harris等人的试验研究结果表明，浸水7天的饱和试件同风干试件相比，湿试件的静动态抗压强度降低，静动态劈拉强度提高。因此，必须深入研究混凝土的组分、骨料、干湿条件对其动态力学性能的影响。

我国开展大坝混凝土动态力学特性研究较晚。“八五”期间，计家荣（1998）研究了加载速率对大坝混凝土强度的影响。在加冲击荷载0.25s破坏时，小试件轴拉和弯拉动态强度分别增加27%和35%。其研究成果显示，当大坝自振频率在1Hz左右时，DL 5073—2000建议的混凝土动强度可比静强度提高30%的指标是偏于不安全的。

高拱坝都是在运行情况下可能遭遇地震作用的。在地震前，坝体各部位都已经存在不同程度的静态应力。混凝土拱坝作为整体结构，在强震作用下，坝体上部拱冠附近的拱向动态响应最为显著，但由于坝体横缝的反复开合使得坝体该部位的拱向应力大为减弱，而坝体沿坝基交界面附近成为抗震薄弱部位。这些部位，特别是其中下部，也大多是静态应力较高的部位。因而其受预静载的影响是不容忽视的。这对于高地震烈度区的高拱坝的抗震设计尤为重要。作为空间结构的混凝土拱坝，处于偏心受压状态，在强震时坝体薄弱部位主要因坝体混凝土的动弯拉应力引起开裂，因此，动弯拉强度是高拱坝抗震设计中的控制性指标之一。因此，预静载对混凝土动态弯拉强度的影响，是国内外工程人员十分关注而又长期未能得到很好解决的一个关键技术问题。

“九五”期间，中国水利水电科学研究院（陈厚群、侯顺载等，2000）结合小湾高拱坝工程，采用大坝混凝土实际采用的原材料和四级配配合比以及与高拱坝基本周期相应的加载速度，开展大坝全级配仿真混凝土的抗压、弯拉动态试验研究和静态试验研究，与相应湿筛混凝土的对比试验研究以及不同初始静载影响的研究，为小湾高拱坝抗震设计混凝土动态指标的确定提供了试验依据。