SL 158-1995（条文说明） 水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程.pdf

1、中华人民共和国行业标准水工(专题)模型试验规程SL 156 165-95 条文说明日次水流空化模型试验规程SL156-95掺气减蚀模型试验规程SL157-95. . 70 水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程SL158-95. 74 闸门水力模型试验规程SL159-95. 83 冷却水工程水力、热力模型试验规程SL160-95. 88 航道水力模型试验规程SL161.1-95 . 97 船闸水力模型试验规程SL161.2-95 . 100 水电站有压引水系统模型试验规程SL162-95. 103 施工导流模型试验规程SL163.1-95. 106 施工截流模型试验规程SL163.2-9

2、5. 110 溃坝模型试验规程SL164-95. 114 滑坡涌浪模型试验规程SL165-95. 118 65 水工建筑物水流压力脉动和流激振动模型试验规程SL158-951总则1.0.1 本条主要说明编制本试验规程的必要性和目的。必要性是作为统一本行业的水流压力脉动和结构物流激振动模型试验研究方法和技术要求。目的在于提高试验研究成果的质量和水平。1.0.2 本规程适用于水流压力脉动和结构物流激振动模型试验。概括起来有以下内容和项曰:(1)水电站溢流式厂房顶板水流压力脉动;(2)陡坡泻槽底板、堆石坝溢流面板和过水围堪面板水流压力脉动;(3)水跃消力塘底板水流压力脉动;(4)挑、跌流水垫塘底板、

3、冲刷坑河床水流压力脉动;(5)特殊消能工边壁水流压力脉动;(6)拱坝泄洪消能与坝体流激振动;(7)溢流坝泄洪与闸墩流激振动;(8)消力塘中隔墙及其他建筑物流激振动;(9)闸门流激振动;(10)水电站溢流式厂房流激振动;(11)引水管道振动;(12)其他泄水建筑物振动。在上述的试验项目中，特别是结构物流激振动的模拟试验，在结构物制模材料的模拟相似问题方面，还不能对所有结构物的试验都能模拟，有的尚待进一步研究。另外，有些以强迫振动为主的项目，可以仅进行压力脉动试验提供动水荷载，配合数学模型进行结构振动特性分析。74 1.0.3 本条规定为某些类型的流激振动分析提供动水荷载试验，其压力脉动试验应遵循

4、本规程。1. O. 4 本条要求每项试验研究，应编写试验研究大纲，使试验研究程序规班化。1.0.5 本条说明本规程与水工(常规)模型试验规程SL15595的关系。2 相似准则2.0.1 水流压力脉动模型试验，应满足几何相似、水流运动相似和动力相似，遵循佛劳德模型定律(重力相似准则)。压力脉动要素统计特征量的相似比尺与模型比尺Lr关系为:流速脉动比尺:V;=Ljnp ) 紊动强度比尺:(而亏)r=LYZ3时间比尺:Tr=L/2 ; 压力脉动幅值比尺:p=LrI (2. 0.1-1) 脉动频率比尺:fr=L;I/Z; 相关函数比尺:(R)r=L ; 谱密度比尺z(S)r=L;S。对于水流压力脉动频

5、率的模型相似律，目前仍存在两种见解。其1由流体力学的基本方程出发导得相似模型律，井和重力相似准则相一致的结论，即压力脉动的欧拉数和斯特劳哈尔(Strauhal)数，分别为:刷r= (币/号)r = 1 51r = (jL/uo)r = 1 式中UO-一-平均流速m/s。由式(2.0.1-2)和式(2.O. 1-3)得:(2. O. 1-2) (2. O. 1-3) 75 压力脉动振幅比尺:(币上=(2. O. 1-4) 压力脉动频率比尺z兀口L;!/2(2. O. 1-5) 其二1由原型观测和不同比尺的模型试验得出的经验模型律:压力脉动振幅比尺:(而)r = L: (2. 0川压力脉动频率比尺

6、:fr= L; (2. O. 1-7) 由于量测方法、使用仪表和资料分析方法等不尽相同，因此，得出的m、n值也不尽相同，大致m句1，n:=:O-1/2o 上述情况表明，压力脉动幅值符合重力相似准则，而频率相似存在着不同见解，但目前大多仍按式(2.O. 1-1)的相似比尺换算。2. O. 2 水工建筑物流激振动模型试验，应同时满足水力条件相似和结构动力相似，即水弹性相似。(1)水力条件相似:模型应满足本规程第2.0.1的相似准则、条文说明和水工(常规)模型试验规程有关规定;(2)结构动力相似:应满足建筑物几何条件、物理力学特性、运动条件和边界条件的相似。几何条件相似:应满足建筑物原型与模型的几何

7、尺寸和相应的位置相似，结构物受力产生的应变和变位的比尺为:(r=rLr = 8rlr 1 ，= 8, = 1 (.= 1. I 式中乱一一线变位比尺;r一一线应变比尺;8r. -角变位比尺plr ._.结构线长度比尺。(2. O. 2-1) 物理力学条件相似:应满足原型与模型结构材料的力学参数和受力后引起的变化相似。在线弹性范围内，各参数的比尺为76 儿=1r= Err Tr= Gr8r r= Er = Gr = rr 式中一-白桑系数比尺Er一一-正应力比尺;Tr一一切应力比尺;Er -弹性模量比尺zGr一剪切模量比尺。(2. O. 2-2) 运动条件相似z应满足原型与模型结构的运动状态和产

8、生运动的条件相似，在随机动水荷载作用下，结构运动的微分方程可表示为原型(M J + C 8 + K)p = (F(t)p (2. O. 2-3) 模型(MJ们十C斟十KJ们儿= (F(t)m (2.0.2-4) 式中M 一含流体附加质量的矩阵;C-含流体影响的阻尼矩阵;K一一含流体影响的刚度短阵;J一一结构的加速度列阵p8一结构的速度列阵;一结构的位移列阵;F一一作用在结构上的动水脉动荷载列阵pt 时间。在一般的三维弹性体条件下，单元刚度短阵可写成:K = BY:.DBVe (2. o. 2-5) 其中B是与坐标无关的量纲为L寸的常数姐阵，v为单元体积，D为弹性系数姐阵z77 y j-Y Y

9、Y 1 - r Y j -r Y 1 - r 。7 1 - r 。,) 。E(r - YJ 1 1 - Y D =二一-一(1卡Y)(1一2Y)式中。在原型与模型相似条件下，则1 - 2Y 2(1 - Y) 。1 - 2Y 20 - Y) 。My22CrSrhkrp仇Kr = Mrt;z =Lt;2 = Erld Er = Psrl;t;2; Yr = 1; Cr = Mrt;1 =Isrl;t;l; p = KrJ;z = Errl;1。tr -_一时间比尺;Er -_弹性模量比尺pYr-皮桑比比尺;sr-一结构材料密度比尺Fr-一结构位移比尺;Lr-一一线长度比尺FCr-一阻尼系数比尺zp

10、一一脉动压力比尺。1 - 2Y 20 - Y) (2. O. 2-6) (2. O. 2-7) 边界条件相似t应满足原型与模型边界约束条件和受力条件相似。模型中结构物边界约束条件参见本规程第4.0.6条说明。受力条件主要是动水荷载的相似，按本规程第2.O. 1条相似准则设计和制造模型，可以达到动水荷载相似。78 流激振动试验一般应包括结构的模态试验和结构的动力响应试验两部分。结构的模态试验一般分为结构在空气中(即干模态和在水中(即湿模态)的模态试验，后者的试验在模型的介质为水时，只能满足水弹性相似才有可能进行。结构的动力响应试验，只有当模型满足水弹性相似才有可能进行。2.0.3 在水流与弹性体

11、流激桐合振动模拟试验中，应满足水流与弹性体两者各参数的相似比尺是一致的，与模型比尺L，的关系为:l , = L , =乱;t, = T , = L;/2; 8, = -wr = Y, =，= 1; ， -，= E, =户= Lr; C俨=L;os; V = v町=t, = L;/2; f , = L;I/2o 式中pwr一一水密度比尺;V一质点的速度比尺;Vw，水流流速比尺;其他符号同前。3 试验设备与量测仪器(2. O. 3-1) 3.0.1 根据试验任务通常首先考虑利用试验室已有设备，或结合整体、局部模型进行压力脉动试验，也可以按需要建造新试验设备。3. O. 23. O. 6 这五条都是

12、对试验用的量测仪器仪表的要求，即应有国家或行业技术监督部分颁发的合格证，且适合试验应用;自行研制的仪器仪表也应经相应技术监督部门鉴定认可后，方可使用。这个规定是必要的，是使试验的量测仪表规范化、科学化和保证试验成果的准确性和可靠性。对于量测一次仪器仪表的率定79 (校验)、二次仪器仪表及采集系统的检定(校验)，其周期一般为1 ,_ 2年。4 模型设计4.0.1 水流压力脉动模型试验，应按本规程的第2.O. 1条相似准则和相应的条文说明设计模型。4.0.2 本条主要是模型比尺选择问题，通常是结合水工整体、局部或断面模型统考虑确定。4.0.3 本条要求按需要进行测点布置。4.0.4 水工建筑物流激

13、振动模型试验，应按本规程第2.0.1、2.0.2条相似准则和相应的条文说明进行模型设计。4.0.5 本条应根据试验研究任务和试验室条件，来选择模型类型和比尺。4.0.6 本条是选定模型类型和比尺后，要求对结构物制模材料的力学参数进行验算。如不满足相似比尺的要求，则应重新选择比尺或制模材料。在截取模型范围时，应论证结构物边界约束条件的相似性。在水工建筑物流激振动模型试验中，结构物制模材料要完全符合相似要求，是很困难的。根据目前的经验，对于原型为1昆凝土的水工建筑物，流激振动结构物的制模材料，在些试验研究中采用了加重橡胶和乳胶水泥作为制模材料，其主要力学参数，如容重、弹性模量可以满足相似，但制模材

14、料的泊桑比和阻尼比不能达到相似(乳胶水泥的泊桑比和阻尼比更接近棍凝主)，其影响有待研究。对于其他制模材料，在符合相似条件下也可以选用。关于流激振动结构边界约束条件相似，主要是地基模拟范围的选取，应满足锢联系统自振模态相似。因此，有的试验研究以截取不同边界模拟范围，进行自振模态分析计算和比较，以截取适宜的模拟范围。此外，还可以探讨其他模拟方法。4.0.7 本条要求在布置测点时，应按照试验研究任务的特点和要80 求，重点布点和一般布点相结合。5 横型制作与安装5.0.1 模型总体布置图和结构物详图，是模型制造和安装的依据，必须规范化。要求图纸线条和尺寸清晰，绘图和校核者均应签名。5.0.2 本条规

15、定对不能直接安装压力传感的部位，可以采用短导管引出再接压力传感器，但应论证导管的影响。5.0.3 对于分块和接缝较多的大模型，应注意制模材料的力学参数和整体结构的相似，必要时可抽样检验。5.0.4 本条是对量测仪器安装、连接提出的要求，传感器直接与水流接触时应注意防水密封，以确保试验观测成果的可靠性。5.0.5 在模型制作与安装完毕后，依照图纸和要求进行检查和校核并作出记录，应成为试验工作的制度。6 试验内容与方法6. 0.1 本条为试验前应做好的试验准备工作和应遵循的试验方法。6.0.2 应根据试验研究任务，确定试验量测内容。在安排试验组次时，应注意试验资料的完整性和系统性。压力脉动和流激振

16、动均为随机过程，数据采集一般可取:采样间隔时间.1t=O.005 0.02 s，样本容量1024，每个测点宜多于10段样本，以确保每个测点有足够的数据。每组试验资料宜重复量测三次以上。在每组次试验中，应保持水位和流量的恒定，在观测过程和终了，宜进行水位流量的检测和仪器的调零校正，以确保资料的可靠性;同时在试验过程应注意水流流态的观测。各试验组次的条件、资料等记录均应书写清晰。81 7 试验资料整理与分析7.0.1 本条规定了压力脉动和流激振动试验数据处理的方法，即目前广泛采用的应用计算机软件或专用数据处理机进行分析处理。7.0.2、7.0.3、7.0.4这三条规定了压力脉动或流激振动试验必须给

17、出的特征值和特性图，并应分析与相应水力参数之间的关系。7.0.5 其他试验资料可按水工(常规)模型试验规程有关规定进行分析整理。8 报告编写8. O. 18. O. 2 要求在报告中阐述试验主要任务、模型设计和制作的特点、制模材料的选择及其相似性。8.0.3 要求在报告中阐述量测仪器的主要性能、数据采集和处理方法。8. O. 48. O. 6 分别为脉动压力模型试验报告和振动模型试验报告应重点阐述的内容，应就其对工程的影响作出明确的结论和提出相应的建议。8.0.7 有关报告编写的其他要求，应遵循水工(常规)模型试验规程的规定。82 的mlB【ig.J cn 书号I158012422 定价，7巳13.00