第九届武汉大学结构设计竞赛大坝结构模型设计与加载试验1 赛题背景1919年孙中山先生在建国方略之二实业计划中最早提出建设三峡大坝的宏伟设想。1971年，作为三峡总体工程一部分的葛洲坝工程开始兴建，历时17年顺利实施完成。葛洲坝工程不仅解决了华中用电供应问题，也为三峡工程建设奠定了基础。三峡大坝是世界上最大的水利水电工程，坝址位于宜昌市夷陵区三斗坪，其建筑物由大坝、电站、船闸和升船机等构成，如图1所示。于1994年正式动工兴建，2003年开始蓄水发电，2009年全部完工。大坝坝体是用1800多万立方米混凝土浇筑而成的混凝土重力坝。大坝全长2309.5米，泄洪坝段483米，坝顶高程185米， 正常蓄水位175米。电站设计总装机容量1820万千瓦，设计年平均发电量846.8亿千瓦时，目前约占全国年发电总量的3%，占全国水力发电的14%。永久性通航建筑物包括永久船闸和垂直升船机，永久船闸为双线五级连续梯级船闸，可通过万吨级船舶。垂直升船机一次可提升3000吨级的客货轮，船舶过坝时间缩短至半个小时。三峡工程具有防洪、发电、航运等综合效益。经三峡水库调蓄，可有效地控制长江上游洪水，使长江荆州河段（荆江）防洪能力大大增强。水电为清洁能源，降低了二氧化碳的排放。“西电东送”促进了华东、华中和华南地区的经济发展。三峡水库显著改善宜昌至重庆660公里的长江航道，万吨级船队可直达重庆港，大幅降低运输成本。大坝作为挡水建筑物有：重力坝、拱坝、支墩坝等型式。大坝主要承受坝体自重和侧向静水压力，也可能承受其他作用，如扬压力、泥沙压力、冰压力、动水压力、浪压力，甚至地震作用等。大坝常见的病害有坝基的滑动破坏、渗透破坏、变形破坏、洪水漫坝、或地震作用造成的裂缝和沉陷，甚至因自然或人为因素出现溃坝。大坝的安全极其重要，大坝一旦失事将会给下游地区带来严重灾害，因此必须重视大坝的设计、施工和管理，加强对大坝安全的监测。图1 三峡大坝的主要枢纽建筑物图2 雄伟的三峡大坝与大坝受力特性类似，以承受侧向压力为主的挡土墙、围堰等支挡结构在土木工程中应用广泛，结构形式多样。为此，本届结构设计竞赛赛题以支挡结构为工程背景，拟通过结构模型设计、制作与加载，探讨支挡结构在侧向冲击力作用下的受力性能和破坏特点，为该结构的优化设计提供参考。2 模型要求（1）模型必须布置在-220mmx0、-150mmy150mm、0z400mm的区域内。模型的支座必须设置在底板表面220mm300mm的阴影范围内（附图1）。（2）模型必须设有面板，用于支挡加载容器中的钢珠。面板为一矩形薄板，要求高400mm宽300mm，厚度不大于3mm。面板与钢珠的接触面为x=0的平面。面板应为一个整体，不允许开孔。（3）加载容器的高度为520mm，侧壁长220mm，后壁由与水平面成60的斜板和竖板组成（附图1）。加载容器与模型面板围成的空间用来盛装80kg的钢珠，钢珠直径为10mm。（4）在加载容器和模型之间设置一块挡板，挡板厚度为4mm，挡板与模型面板的净距为50mm，采用钢丝绳通过滑轮的转向将挡板与加载装置端部的砝码（40kg）相连接，利用砝码的自由落体运动快速提升挡板。（5）面板上-15mmy15mm、285z315mm的区域为位移测量的标靶，前方不允许有遮挡物。采用激光非接触式测量方式监测位移，激光光带的中心线位于XOZ平面且平行于X轴，距离模型底板上表面300mm。选手应自行在光带中心线与面板交点位置做好标记（附图1）。 （6）结构模型必须自成一体，不能利用加载装置作为结构模型的一部分。加载装置在面板两侧设置有宽度20mm的限位条，选手不得将模型与该限位条用胶水粘接。（7）模型的面板宽度制作误差控制在+3mm，其它尺寸的制作误差控制在3mm。不允许对统一给定的底板做任何开洞，切割，打磨。参赛模型用材、尺寸或结构体系不符合赛题要求的，取消比赛资格。（8）同一参赛学校的参赛作品不得雷同，对于雷同作品取最好成绩计分，其他作品视为无效。3模型加载由工作人员关闭加载容器挡板，然后将80kg钢珠放入加载容器中，开启位移测量装置，40kg砝码自由落体100mm后开始提升挡板（提升高度为400mm），钢珠侧向冲击力施加到模型上，持续时间20秒钟（若有钢珠泄漏，则计时延长至不漏为止）。若模型不破坏或失效，则加载成功。4 模型破坏或失效判定参赛模型在安装过程或加载过程中，凡出现下列情况之一即视为破坏或失效：（1）在加载过程中，模型整体发生垮塌。（2）加载过程中，钢珠从模型YOZ面板或侧面滚落出来，数量超过20个。（3）模型尺寸与设计要求不符，不能顺利安装并完成加载。（4）未按要求设置模型规避区，不满足关于激光发射点至标靶之间无遮挡的规定，影响位移测量读数。（5）竞赛评委会认为失效的其他情形。5 竞赛流程及要求（1）得到入场指令后，各队队员迅速将模型底板固定于加载台座上，工作人员将激光位移传感器的光束对准位移标记点，安装和调试时间不得超过5分钟。安装模型同时，由一名参赛队员进行模型陈述及回答评委问题。（2）由工作人员扳动挡板开关，通过砝码自由落体快速提升挡板，进行侧向水平冲击荷载加载，整个加载过程不得超过3分钟。6 模型材料与工具用于模型制作材料及工具由竞赛组委会统一提供，参赛队若使用非组委会提供的材料及工具，经查实，取消其参赛资格。（1）竹材：用于制作结构构件。竹材规格及数量见表 1。表1 竹材规格及数量竹材名称竹材规格数量备注本色侧压双层复压竹皮1250*430*0.50mm2张竹材力学性能参考值：弹性模量 1.0104MPa抗拉强度60MPa本色侧压双层复压竹皮1250*430*0.35mm2张本色侧压双层复压竹皮1250*430*0.20mm2张（2）502胶水，8瓶（规格 20克），用于模型结构构件之间的连接（3）模型底板：底板材料为竹制，厚度 20mm ，长、宽分别为400mm 和280mm。（4）钢珠：直径10mm的钢珠（碳素），共80kg。（5）制作工具：美工刀（3把），1米尺（1把），三角板（2块），圆规（1把），砂纸 （3张），锉刀（1把）、剪刀（2把）、镊子（2把）、手套（3副）、签字笔（1支）、铅笔（1支）、橡皮（1块）。7 评分标准模型评分按总分100分计算，共由4项组成，评分标准如下：（1）计算书（共10分） 计算内容的完整性、准确性 共6分 图文表达的清晰性、规范性 共4分计算书应包含：结构选型、结构设计图、构件及节点详图、荷载分析、承载能力和位移计算结果、模型重量及主要材料预算等内容。（2）结构选型与制作质量 （共10分） 结构合理性与创新性 共6分 模型制作美观性 共4分（3）现场表现 （共5分） 现场陈述 共3分 现场答辩 共2分（4）模型加载（共75分） 模型强度 共55分 模型刚度 共15分 钢珠泄漏 共5分*模型加载评分规则： 模型强度（S1）水平冲击荷载加载成功，根据模型质量计算模型强度得分，如式（1）。 （1） 模型刚度（S2）水平冲击荷载加载成功，根据测点水平位移计算模型刚度得分，如式（2）。 （2）注：模型重量是指扣除底板后的净重，包括面板和支撑结构两部分重量；指加载成功的模型中的最小重量；指加载过程中位移测点测得的最大位移值；指加载成功的模型中位移值的最小值。 钢珠泄漏在加载过程中，若没有钢珠从YOZ面板或侧面滚落出来，计5分；若漏出数量不超过5个，扣1分/个；数量620个，扣5分；数量超过20个，则判定模型加载失效。附图1 模型示意图附图2 加载装置图 附图3 挡板滑轮布置图附图4 加载装置效果图第 9 页/共 9 页