大型預應力梁式渡槽應力變形監測與仿真分析

劉帥 翟聚云

摘要：沙河渡槽是南水北調中線建設的關鍵性工程，采用預制吊裝的U形梁式渡槽結構形式，體型巨大、受力情況復雜，其施工和運行的安全性對南水北調中線建設具有重要影響。通過渡槽監測方案設計，監測渡槽跨中截面底部縱向鋼筋應力及渡槽應變值，考慮渡槽在la監測期內溫度變化的影響。采用有限元法建立渡槽在施工期和運營期的有限元計算模型，將有限元計算結果與施工期渡槽縱向鋼筋應力和渡槽應變的監測結果進行對比分析，驗證有限元模型的正確性。利用有限元計算模型分析了渡槽在運營期應力和位移分布規律，給出了渡槽應力和位移的變化云圖，研究了渡槽關鍵截面內表面的應力變化曲線。結果表明，運營期渡槽在縱向和環向預應力作用下內表面基本為壓應力，滿足抗裂設計要求;渡槽豎向變形很小，滿足剛度設計要求;有限元仿真分析結果驗證了渡槽結構設計和施工方案的合理性。

關鍵詞：梁式渡槽;有限元法;預應力;應力監測;溫度荷載;南水北調中線工程

中圖分類號：TV698.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379. 2020.01.026

1 工程概況

沙河渡槽是南水北調中線建設的關鍵性工程。該渡槽位于河南省平頂山市魯山縣[1]，全長9 050 m，由梁式渡槽、箱基渡槽和落地槽3種槽型組成。這3種槽型根據工程所在區域的地質條件和河流形態進行沿線布置[2]。渡槽設計流量320 m3/s、加大流量380m3/s。梁式渡槽采用U形截面渡槽的結構形式，跨度為30 m，渡槽布置雙聯四槽，每兩槽擱置在獨立的槽墩上，支承形式為空間簡支結構，采用預應力鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C50。U形渡槽單槽凈高為7.40 m、凈寬為8.00 m，槽壁厚度為0.35 m;槽底進行局部加厚處理，厚度為0.90 m.加厚段寬度為2.60m：頂部設有橫梁，橫梁截面尺寸為0.50 mx0.50 m，橫梁間距為3m。

2 仿真模型

2.1 有限元模型

根據沙河渡槽工程的實際情況，建立相應的有限元計算模型。對于渡槽、槽墩和地基采用8節點三維等參塊體單元模擬，渡槽支座處的錨墊板采用4節點的殼單元模擬，采用桿單元模擬預應力鋼筋[3]。預應力鋼筋與混凝土間的相互作用通過桿單元和塊單元節點處的位移協調條件來實現，U形渡槽的預應力鋼筋分為縱向預應力和環向預應力鋼絞線。根據預應力孔道摩阻參數計算直線筋和曲線筋的預應力損失，從而得到有效控制應力。采用初應變法在計算模型中施加預應力[4-5]。沙河渡槽有限元計算模型見圖1。

2.2 計算工況

沙河渡槽在施工和運營過程中的主要荷載包括渡槽自重、預應力、水壓力、風荷載、人群荷載、溫度荷載和地震作用等[6-7]。將這些荷載進行組合，主要考慮以下10種計算工況：工況1，自重+縱向預應力;工況2，自重+縱向預應力+環向預應力;工況3，自重+預應力+風荷載+人群荷載+夏季溫升;工況4，自重+預應力+風荷載+人群荷載+冬季溫降;工況5.自重+預應力+設計水深+風荷載+人群荷載+夏季溫升;工況6，自重+預應力+設計水深+風荷載+人群荷載+冬季溫降;工況7，自重+預應力+滿槽水深+人群荷載+夏季溫升;工況8.自重+預應力+滿槽水深+人群荷載+冬季溫降;工況9，自重+預應力+設計水深+風荷載+人群荷載+夏季溫升+地震荷載;工況10，自重+預應力+設計水深+風荷載+人群荷載+冬季溫降+地震荷載。

3 渡槽監測與仿真分析

3.1 監測方案

對沙河渡槽施工期的鋼筋應力進行監測時主要采用鋼筋計，應按照鋼筋的截面尺寸選擇鋼筋計，采用串聯的形式將鋼筋計焊接在鋼筋上，鋼筋計的直徑與被測鋼筋的直徑相同，鋼筋計與被測鋼筋軸線共線。鋼筋計監測得到的軸力就是被測鋼筋的受力值，然后通過鋼筋的橫截面面積換算成鋼筋應力[8-9]。

3.2 施工期監測與對比分析

對沙河渡槽的鋼筋應力進行監測時，選取渡槽跨中截面底部的縱向鋼筋安裝鋼筋計L1，在渡槽跨中截面槽底埋設單向應變計S1進行應變監測。鋼筋計和應變計以渡槽澆筑前的最后一次讀數為基準值，該原型監測的時間段為2010年12月26日至2011年12月26日。建立沙河渡槽施工期的有限元計算模型，模擬渡槽混凝土澆筑和外界溫度變化的應力場，給出縱向鋼筋應力及應變計算值，并將計算結果同監測結果進行對比，見圖2、圖3（圖中拉應力為正值、壓應力為負值）。

從監測值與分析值對比曲線可以看出，在la監測期內，渡槽外界溫度經歷了混凝土澆筑、外界夏季溫升、冬季溫降的過程，在施工過程中，縱向鋼筋的壓應力逐漸增大，當澆筑完成后縱向鋼筋的壓應力隨著水化熱的釋放而逐漸趨于平緩，壓應力穩定在-50 - -60MPa之間。應變變化規律與應力變化規律類似，應變值穩定在_250xl0^-6左右。有限元分析得到的縱向鋼筋應力應變計算值與監測結果比較接近，變化規律一致，這也驗證了有限元計算模型的正確性，為渡槽運營期的仿真分析提供了可靠的模型基礎。

3.3 運營期結構分析

3.3.1 渡槽應力云圖

通過分析渡槽在施工期和運營期各工況下的應力分布規律，得到了渡槽應力分布云圖，工況3和工況5下渡槽應力云圖見圖4-圖7。

通過分析可知，工況3下，渡槽縱向應力基本為壓應力，最大壓應力為20.10 MPa，出現在渡槽槽底的端部過渡段，這主要是渡槽槽底縱向預應力鋼筋產生的效應;最大縱向拉應力出現在渡槽的上沿處，如果略去端部支座應力集中的影響，拉應力值為1.64 MPa，僅分布在渡槽的上沿層內。渡槽的橫向應力和豎向應力也基本為壓應力，只在渡槽端部支座附近較小區域內出現了部分拉應力，橫向最大壓應力為11.90 MPa、豎向最大壓應力為20.60 MPa，這主要是環向預應力鋼筋產生的壓應力。工況5下，渡槽縱向應力仍以壓應力為主，最大壓應力為18.50 MPa.出現在渡槽槽底的端部附近，由于水荷載、人群荷載和溫升荷載的作用，由預應力產生的渡槽上沿拉應力被抵消，上沿出現了壓應力，壓應力值為0.80 MPa左右。渡槽的橫向應力和豎向應力也以壓應力為主，這表明在渡槽的運營期，渡槽的預應力鋼筋能夠滿足抗裂設計要求。

3.3.2 渡槽截面應力分布

為了分析渡槽內表面的應力分布規律，分別研究了各工況下渡槽1/2跨、1/4跨和1/8跨截面內表面應力變化曲線。由于渡槽內表面直接與水接觸，因此應嚴格控制渡槽內表面的拉應力，避免渡槽開裂。工況5下渡槽各分析截面內表面應力變化曲線見圖8-圖13。該渡槽布置為雙聯四槽，圖中的渡槽截面為單聯兩槽截面，兩槽截面幾何尺寸相同。

在工況5下，渡槽自重、預應力和水壓力等荷載的共同作用下，渡槽內表面的縱向應力均為壓應力，渡槽1/2跨截面槽底縱向壓應力較小，為2 MPa左右，槽頂壓應力較大，為9 MPa左右;渡槽1/4跨截面縱向應力沿渡槽高度方向變化很小，壓應力值為5.5 MPa左右;渡槽1/8跨截面槽底縱向壓應力較大，為9.5 MPa左右，槽頂壓應力較小，為3 MPa左右。這樣的縱向應力分布主要是縱向預應力筋使渡槽產生反拱，渡槽底部壓應力大于渡槽頂部壓應力，在自重荷載和水壓力作用下，渡槽跨中的彎矩最大，在底部產生拉應力，抵消了一部分壓應力，渡槽頂部由彎矩產生了壓應力，在渡槽端部的彎矩較小，在底部產生的拉應力值也較小。渡槽各分析截面的環向應力變化很小，渡槽底部的環向壓應力較小，甚至在渡槽端部截面底部出現了較小的拉應力，其拉應力值約為0.5 MPa。環向應力的分布規律主要是在水壓力作用下，渡槽槽底出現橫向負彎矩，槽底內表面受拉，抵消了由環向預應力產生的壓應力。

3.3.3 渡槽位移分析

通過對沙河渡槽的位移分析，得到了渡槽在施工和運營過程中的位移分布規律，工況3和工況5下渡槽豎向位移云圖和跨中截面位移矢量見圖14 -圖17。

由渡槽位移分析結果可知，在工況3下，受縱向預應力鋼筋作用，渡槽的豎向出現了反拱，在自重和預應力的共同作用下，渡槽端部的豎向沉降位移為4.68mm，相對于渡槽端部，渡槽跨中截面最大上拱為14.50mm，出現在渡槽槽底，渡槽上沿處最大上拱為12. 16mm。隨著環向預應力鋼筋的張拉，渡槽跨中截面的上拱度略有增加，增加值約為0.10 mm，可見環向預應力鋼筋對渡槽的上拱度影響很小。在工況5下，受渡槽自重、水荷載、風荷載、人群荷載和溫升荷載的作用，渡槽產生向下彎曲的豎向變形，渡槽端部槽墩產生的豎向沉降位移為4.51 mm，渡槽跨中截面的最大豎向位移出現在渡槽上沿，為16.67 mm，槽底最大豎向位移為10.24 mm，出現如此的位移差主要是渡槽的上沿邊緣發生了較大的斜向下的位移，這可以在跨中截面位移矢量圖中看出來。渡槽跨中截面槽底的豎向彎曲變形為5.73 mm，由此可見，在縱向預應力鋼筋的作用下，渡槽豎向撓度較小，整體剛度較大。

4 結語

（1）通過對渡槽施工期縱向鋼筋監測應力值與有限元模型分析得到的鋼筋應力值進行對比分析，兩種應力值比較接近，證明了有限元模型的準確性及有效性。

（2）通過對渡槽應力的分析，表明渡槽在運營期的縱向應力和環向應力基本為壓應力，特別是渡槽內表面基本處于受壓狀態，渡槽的應力分布滿足強度要求。

（3）渡槽的位移分析表明，U形渡槽的整體剛度較大，豎向位移值較小，能夠滿足剛度要求，其中水荷載對渡槽的豎向位移影響較大。

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【責任編輯 馬廣州】

收稿日期：2019-07-10

基金項目：國家科技支撐計劃重大項目（ JGZXJJ-10）

作者簡介：劉帥（1988-），男，河南永城人，講師，主要研究方向為巖土工程與地下工程結構