淘金河大型預(yù)應(yīng)力拉桿拱渡槽變形及抗震分析

黎 璟

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州市 310023)

淘金河渡槽是南水北調(diào)東線工程膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程中的關(guān)鍵性水工結(jié)構(gòu)。排架之上的槽身與槽體內(nèi)水體質(zhì)量大，地震作用時會對渡槽結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生不利影響，因此南水北調(diào)工程中渡槽的抗震問題比較突出。目前國外新建渡槽數(shù)目較少，相關(guān)的研究文獻資料主要針對渡槽結(jié)構(gòu)的選型、結(jié)構(gòu)模型試驗、體型優(yōu)化設(shè)計以及渡槽防滲修復(fù)等方面，而與渡槽模型進行抗震動力分析與計算方面相關(guān)的文獻資料比較缺乏。

1 數(shù)值分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

淘金河渡槽上承式拉桿拱由兩榀鋼筋混凝土拱肋、預(yù)應(yīng)力混凝土拉桿、吊桿及拱上排架組成，拱肋軸線為二次拋物線，其方程為

圖1 拉桿渡槽模型(單位：m)

(1)

式中：f—矢高，10.50m；

l—拱跨度，47.00m。

矢跨比1∶4.48，模型結(jié)構(gòu)見圖1。

渡槽各組成部分結(jié)構(gòu)的數(shù)量及參數(shù)見表1：

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.2 計算方法

預(yù)應(yīng)力混凝土拉桿拱結(jié)構(gòu)為高次超靜定結(jié)構(gòu)，所有連接均為剛性連接或共節(jié)點連接。數(shù)值模擬采用有限元分析軟件Midas/Civil 2015進行。拉桿、主拱、排架、肋間支撐、鋼管橫系桿均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。地震加速度時程曲線的輸入，依據(jù)地質(zhì)報告，使地震動的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間符合規(guī)定。考慮E1地震作用(工程場地重現(xiàn)期較短的地震作用，對應(yīng)于第一級設(shè)防水準(zhǔn))，結(jié)構(gòu)在線彈性范圍內(nèi)，基本不發(fā)生損傷。拱腳邊界條件采用一般支承。

1.3 荷載及組合

荷載計算依據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》(DL5077-1997)，荷載組合依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL191-2008)，共進行了8種荷載組合工況下的計算，并進行了承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)驗算。各種荷載針對不同的設(shè)計工況取不同的分項系數(shù)和組合系數(shù)，荷載組合如表2：

表2 荷載組合

2 結(jié)果分析

2.1 拱肋承載能力極限狀態(tài)

(1)受拉承載能力分析

不同荷載組合工況下，上承式拉桿拱渡槽結(jié)構(gòu)各部分的變形和應(yīng)力狀態(tài)區(qū)別較大。組合3工況下，風(fēng)荷載對空槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的橫向變形和拉應(yīng)力。組合3工況下拱肋I的1/8截面位置產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力σtmax=1.82MPa；拱肋II在各荷載組合下，均不產(chǎn)生拉應(yīng)力。

由上述計算分析可知，在未完成預(yù)應(yīng)力的張拉時，如遭遇風(fēng)荷載，拱肋會產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)不利的拉應(yīng)力。

(2)受壓承載能力分析

由計算可知，上承式拉桿拱渡槽結(jié)構(gòu)所受的最大壓應(yīng)力均小于混凝土抗壓強度設(shè)計值。組合2工況下，拱肋I、II的1/8截面即1-1、2-2截面產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力σcmax=17.85MPa。

2.2 拱肋正常使用極限狀態(tài)

(1)裂縫寬度分析

鋼筋混凝土構(gòu)件，在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度，按作用(或荷載)短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響進行驗算。在距拱腳水平距離3.32m處拱肋有最大裂縫寬度W=0.18mm，小于鋼筋混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度限值Wtk=0.2mm。

(2)撓度分析

圖2 拱肋撓度圖

2.3 拉桿側(cè)向位移和吊桿內(nèi)力

通過對各種荷載組合下的拉桿拱渡槽計算可知，拉桿I、II在組合1下產(chǎn)生最大負向位移，分別為14mm與13mm；拉桿I、II在組合2下產(chǎn)生最大正向位移分別為10mm與11mm。

吊桿在單個荷載及荷載組合作用下，內(nèi)力如表3。

表3 拉桿內(nèi)力(kN)

由表3，在預(yù)應(yīng)力、滿槽水重及風(fēng)荷載作用下均有吊桿產(chǎn)生壓力；且位于順橋向吊桿4兩側(cè)對稱位置的吊桿所受內(nèi)力基本相同，其中位于拱肋1/4處的吊桿2承受最大的拉力σtmax=81.8MPa。

2.4 地震響應(yīng)分析

(1)橫槽向地震激勵

在橫槽向地震反應(yīng)譜作用下的渡槽模型在空槽和滿槽情況下的變形，如圖3、圖4所示。

圖3 橫槽向地震作用下空槽模型的變形(單位：mm)

圖4 橫槽向地震作用下滿槽模型的變形(單位：mm)

由圖3、圖4可以看出，在橫槽向地震激勵條件下，渡槽空槽和滿槽模型均發(fā)生了沿Z方向正對稱變形，滿槽情況下拱肋變形顯著大于空槽情況下，拱肋變形的最大值位于主拱圈拱頂，空槽模型和滿槽模型槽身豎向變形的最大值分別為5.55mm和-16.96mm。

主拱圈結(jié)構(gòu)在空槽和滿槽情況下的位移值如表4所示。

表4 主拱圈控制截面位移值(單位：mm)

從表4中數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯跈M槽向地震激勵作用下，渡槽主拱圈截面的位移響應(yīng)規(guī)律為：沿橫槽向(Y)的位移最大，豎向(Z)的位移次之，順槽向(X)的位移最小；主拱圈截面的位移值從拱腳至拱頂呈逐漸增大趨勢。一方面說明了該渡槽結(jié)構(gòu)的橫向剛度較小，同時也體現(xiàn)了橫橋向地震激勵會對結(jié)構(gòu)橫橋向(Y)與豎向(Z)產(chǎn)生較大影響。

從表4中數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯瑵M槽情況下的各向位移響應(yīng)較空槽時大，順槽向(X)位移基本不變，橫槽向(Y)在拱頂和1/4拱處位移分別增大了2.03mm和1.81mm；豎向(Z)在拱頂和1/4拱處位移分別增大了4.09mm和1.81mm。說明在橫橋向地震作用下，水體降低了渡槽的整體剛度，位移響應(yīng)得到增大，而對順橋向剛度影響不大。

(2)順橋向地震激勵

在順橋向地震反應(yīng)譜作用下的渡槽模型在空槽和滿槽情況下的變形圖如圖5和圖6所示。

圖5 順槽向地震作用下空槽模型的變形(單位：mm)

圖6 順槽向地震作用下過水模型的變形(單位：mm)

由圖5和圖6可以看出，在順槽向地震激勵條件下，渡槽空槽和滿槽模型均發(fā)生了沿方向正對稱變形，滿槽情況下模型的變形顯著大于空槽情況下，變形的最大值位于主拱圈拱頂對應(yīng)的槽身位置，空槽模型和滿槽模型變形的最大值分別為6.25mm和-16.04mm。

主拱圈結(jié)構(gòu)在空槽和滿槽情況下的位移值如表5所示：

表5 主拱圈關(guān)鍵截面位移值(單位：mm)

從表5中數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯陧槻巯虻卣鸺钭饔孟拢刹壑鞴叭孛娴奈灰祈憫?yīng)規(guī)律為：沿橫槽向(Y)的位移最大，豎向(Z)的位移次之，順槽向(X)的位移最小；主拱圈截面的位移值從拱腳至拱頂呈逐漸增大趨勢。一方面說明了該渡槽結(jié)構(gòu)的橫向剛度較小，同時也體現(xiàn)了順橋向地震激勵會對結(jié)構(gòu)橫橋向(Y)與豎向(Z)產(chǎn)生較大影響。

從表5中數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯瑵M槽情況下的各向位移響應(yīng)較空槽時大，橫槽向(Y)位移基本不變，順槽向(X)在拱頂和1/4拱處位移分別增大了2.7mm和1.53mm；豎向(Z)在拱頂和1/4拱處位移分別增大了3.93mm和1.81mm。說明在順橋向地震作用下，水體降低了渡槽的整體剛度，位移響應(yīng)得到增大，而對橫向剛度影響不大。

3 渡槽結(jié)構(gòu)原位監(jiān)測分析

渡槽觀測設(shè)施包括水平位移觀測和垂直位移觀測，水平位移觀測和垂直位移觀測共用同一個標(biāo)點和基點。通過原位監(jiān)測數(shù)據(jù)與仿真模擬結(jié)果對比分析，校核仿真計算結(jié)果。

3.1 張拉過程側(cè)向變位分析

第一跨拱的張拉順序見圖7，張拉應(yīng)力控制見表6。

表6 第一跨南拉桿分步、分級張拉過程南北拉桿側(cè)向變位(單位：mm)

第一跨張拉完畢，測得拉桿沿縱向位移收縮值：

南拉桿：4+13=17mm

北拉桿：5+10=15mm

第一跨拉桿拱張拉完畢，拉桿縱向變位在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。實測數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果，南拉桿與北拉桿精度分別為82.35%與86.67%，兩者基本吻合。

3.2 第一跨拱肋應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

(1)監(jiān)測設(shè)計

在第一跨拱肋的拱腳、1/4拱肋、1/2拱肋每處上、下部位各粘貼一片應(yīng)變片，量測施工過程中拱肋各部位的應(yīng)力變化。

圖7 拱肋各特征部位應(yīng)變片位置

(2)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果分析

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果見表7、圖8～圖11。

通過現(xiàn)場原位測試和數(shù)值計算對比分析得出如下結(jié)論：

(1)結(jié)構(gòu)自重+渡槽滿水+地震荷載(順橋向)+風(fēng)荷載是最為危險工況，該工況下拉桿、拱肋的最大豎向位移分別達到-17.972mm、-17.893mm，分別是無地震時6.5倍、7.5倍。另外渡槽設(shè)計在水力條件及過水能力滿足要求的條件下，應(yīng)盡可能減小排架的高度，這不僅是減小工程量和投資的要求，而且是非正常狀態(tài)下渡槽安全運營的需要。

表7 各應(yīng)變片應(yīng)變增量累計

圖8 1#、2#應(yīng)變片累計變化

圖9 3#、4#應(yīng)變片累計變化

圖10 5#、6#應(yīng)變片累計變化

圖11 7#、8#應(yīng)變片累計變化

(2)拉桿、拱肋的預(yù)應(yīng)力張拉和施工工序、施工進度是一對矛盾，就整體結(jié)構(gòu)受力和變形最優(yōu)而言，當(dāng)然是整跨渡槽的下部拱體全部澆注完畢并在混凝土強度達到要求再行張拉，所引起的拉桿、拱肋變形最小。實際施工時這是很難做到的，但拉桿的張拉必須在橫撐(最好包括斜撐澆注完畢后)再行張拉，拱肋的張拉也應(yīng)如此，這樣可減小拉桿、拱肋的豎向或側(cè)向變形。

(3)三維物理模型試驗、原位測試、數(shù)值計算結(jié)合起來對新型大跨度渡槽結(jié)構(gòu)研究是保證結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的有效手段，排架-渡槽-水三維耦合體系的地震響應(yīng)不同于一般的橋梁結(jié)構(gòu)，無論是國內(nèi)還是國外，關(guān)于這方面的研究還比較欠缺，還應(yīng)進行更進一步的深入探索。

4 結(jié)語

(1)渡槽在未完成預(yù)應(yīng)力張拉時，如遭遇風(fēng)荷載，拱肋拱腳部位會產(chǎn)生拉應(yīng)力σtmax=1.82MPa，此為不利工況。

(2)渡槽在橫橋向與順橋向地震激勵下，橫橋向均發(fā)生較大的位移，說明渡槽的橫向剛度較低，在地震作用時橫向穩(wěn)定問題較為突出；結(jié)構(gòu)在滿槽時的地震響應(yīng)明顯強于空槽結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，說明水體作用顯著降低了渡槽結(jié)構(gòu)的自振頻率，使得結(jié)構(gòu)的整體剛度得到了降低，因此在抗震分析時需著重考慮水體作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能。