龍馬埡渡槽靜載實驗及承載能力研究

胡駿峰，杜 普

(四川水發勘測設計研究有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

龍馬埡渡槽全長253m，設計流量為12.5m3/s，加大流量為15m3/s。渡槽結構形式為U型支撐結構簡支梁式，預應力渡槽段跨度25m，槽身高4.35m、寬5.4m、半徑2.2m，渡槽混凝土標號為C50W6F100預應力鋼筋混凝土。錨索材料為φ15.2(1×7)低松弛預應力鋼絞線，極限抗拉強度為1860MPa，分為縱向張拉和橫向張拉兩部分。渡槽底部縱向張拉為8根鋼絞線組成一束為一個整體，共7束；上部縱向張拉為2根鋼絞線組成一束為一個整體，共4束；橫向張拉采用環向張拉，鋼絞線由2根組成一束為一個整體，共62束。目前，許多研究人員對渡槽進行了靜載試驗，張保軍[1]通過對隔河巖通航渡槽進行5級蓄水靜載試驗，通過撓度值來判斷渡槽處于安全穩定狀態；何建新[2]對克孜河渡槽進行充水試驗，通過撓度極值、相對殘余撓度和撓度校驗來判斷渡槽的承載力滿足要求。大多數研究者從靜載實驗的撓度數據來分析渡槽的承載能力，但是將靜載實驗與有限元計算相結合更能綜合地反映渡槽的承載能力，這是因為靜載試驗布置傳感器的數量有限，不一定能完整地反映整個槽身內外壁的應力情況，采用有限元計算與靜載試驗相結合，在驗證有限元計算模型正確的情況下，能全面地反映整個渡槽結構的應力和位移情況。

2 有限元計算模型

根據渡槽的實際情況，建立對應的有限元模型。渡槽結構采用Solid45實體單元，鋼絞線采用Link180錨索單元進行模擬[3-5]，墊板采用4節點的Shell181殼單元模擬。模型順水流方向為z軸，橫水流方向為x軸，重力方向為y軸。模擬預應力鋼絞線與混凝土之間的相互作用通過采用約束方程法來實現[6]。鋼絞線的有效應力值通過埋設在槽身內部的傳感器來進行讀取，在有限元計算中采用降溫法對模型施加預應力[6]。如圖1所示。

圖1 渡槽模型網格

3 靜載試驗方案

3.1 荷載加載方式

渡槽槽身的加載使用沙袋，加載時根據相應的配重沙袋均勻地鋪放在渡槽上，根據相應的規范和靜載試驗的內容，加載的工況主要有以4種：加載1，自重+鋼絞線預應力+半槽水深配重(104.05t)；加載2，自重+鋼絞線預應力+設計水深配重(186.00t)；加載3，自重+鋼絞線預應力+加大水深配重(214.63t)；加載4，自重+鋼絞線預應力+滿槽水深配重(227.26t)。卸荷時，采用3級卸荷：卸載1，將槽內填土降至加大水深配重；卸載2，將填土降至設計水深配重，持荷穩定后進行觀測記錄；卸載3，將填土降至半槽水深配重持荷穩定后進行觀測記錄數據。

3.2 荷載試驗數據采集

應力測試：采用在渡槽的內外壁截面上粘貼混凝土應變片(阻值120Ω)來進行測量，并通過不同位置補償點實現對環境溫度等因素的補償，應變采用靜態數據記錄系統和數字應變儀自動采集存儲。應變片粘貼在渡槽跨中底板的邊壁，測量邊壁的環向和縱向應力。變形測試：在槽身外側的底部，設置不同的觀測點，采用高精密水準儀進行測量，記錄槽身的形變。溫度測量：采用紅外溫度測試儀測量梁體表面溫度及環境溫度。

4 靜載試驗與仿真

4.1 靜載試驗結果

靜載試驗結果如圖2所示。

圖2 跨中槽底縱向、環向應力值

對應變片采集的數據進行處理，得出靜載實驗下槽身跨中的縱向應力值和環向應力值，根據實驗數據可以知道在跨中的斷面上整體渡槽受壓，環向壓應力值最大值為2.88MPa，縱向壓應力最大值為1.78MPa。隨著荷載的增加，渡槽底板縱向壓應力和環向壓應力均減少。將靜載實驗的結果與有限元仿真計算的結果進行對比，兩者結果相差不大，相對誤差均在10%以內。為了避免基礎沉降等因素對撓度的影響，對所有監測所得到的位移數據減去基礎和支座的變形量，從而得到槽身的撓度值。由靜載試驗撓度值隨荷載變化的圖(如圖3—4所示)可知，隨著荷載的增加，撓度值逐漸增加，在加載4工況的時候(滿槽水工況)，渡槽的撓度值最大，為2.21mm。由圖4可知，渡槽的撓度值與所加荷載線性相關系數為0.99，線性非常關系顯著，表明結構在加載過程中始終呈彈性工作狀態。同樣，在卸載工況中，隨著槽身荷載降低，撓度值逐漸減少，并且恢復到接近加載前的數值，也說明渡槽處于彈性工作的階段。有限元計算結果和靜載試驗的結果趨勢一致，各個工況下的撓度值相對誤差均在10%以內。綜合靜載試驗和有限元計算的結果可以知道，有限元的計算模型和參數是正確的，可以用有限元計算來反映渡槽在運營期的受力情況，并對其進行承載力分析。

圖3 跨中撓度值

圖4 撓度值隨荷載的變化

4.2 渡槽運營期仿真

渡槽運營期仿真如圖5—6所示。

圖5 溫降工況下的應力和變形云圖

龍馬埡渡槽在運行時期主要受到風荷載、溫度荷載、水重和預應力的作用[7]。由于在靜載試驗中沒有進行溫升和溫降的加載，因此需要考慮在最大水荷載(即滿槽水深荷載)疊加溫度荷載時，渡槽的內外壁應力狀況和渡槽的撓度值是否滿足規范要求。采用有限元模型對渡槽在滿槽水深下的溫升工況(自重+預應力+滿槽水深+溫升)和溫降工況(自重+預應力+滿槽水深+溫降)進行模擬，并根據計算結果查看渡槽的內外壁應力和位移是否滿足要求。由于預應力鋼絞線端頭與槽身相連接的節點在施加預應力后，出現了明顯的應力集中現象，此節點的值是不準確的，因此查看應力結果時應將此部分的應力結果舍去。在溫升工況下(如圖6所示)，渡槽的內壁整體受壓，其中內壁最大壓應力為5.86MPa，出現在內壁靠近端肋的位置。槽身外壁拉應力最大值為0.27MPa，出現在渡槽的跨中底部。渡槽的豎向撓度值最大為2.926mm，遠小于規范的允許值41.61mm，說明槽身在縱向預應力鋼筋的作用下，渡槽的整體剛度較大，豎向撓度值較小。溫降工況(如圖5所示)與溫升工況相似，內壁整體受壓，內壁最大壓應力為5.07MPa，同樣也出現在內壁靠近端肋的位置，槽身外壁拉應力最大值為0.69MPa，出現在渡槽的跨中底部，渡槽的豎向撓度值最大為2.872mm。綜上所述，渡槽在運營狀態下應力和位移滿足規范要求。

圖6 溫升工況下的應力和變形云圖

4.3 相對殘余撓度

水利工程規范上是采用滿槽水深工況下撓度的最大值來判斷渡槽的承載能力，但是撓度這個指標比較單一，不能反映渡槽結構的彈性工作性能。由于渡槽的水位在運行期是一直變化的，若渡槽結構的彈性性能較差，在長時間荷載反復變化的過程中會使得渡槽變形緩慢增大，最后使得結構不能滿足正常運行要求。因此，需要用相對殘余撓度來評價渡槽的彈性工作性能，保證渡槽在長期使用中的安全性。相對殘余撓度是表明荷載減少之后，變形彈性恢復的性能，其值越小，則結構的彈性性能越好，規范中要求小于規范限制的20%[8]。在靜載實驗中，龍馬埡渡槽實測殘余撓度為0.12mm，滿槽水深下實測跨中撓度為2.21mm，計算所得相對殘余撓度為5.42%，小于限值要求的20%，結合撓度值隨荷載的變化以及荷載與位移的擬合線，表明槽身處于彈性工作狀態。

5 結語

(1)對渡槽在靜載試驗中的應力和變形實測值與有限元計算結果相對比，兩者的相對誤差在10%以內，說明有限元模型是準確的。在渡槽的運行工況中，結果表明渡槽內壁都處于受壓狀態，滿足抗裂要求；渡槽的豎向位移值較小，整體剛度較大，撓度滿足規范要求[9]。

(2)采用相對殘余撓度來反映結構的彈性工作性能，根據靜載實驗結果，計算所得相對殘余撓度為5.42%，小于限值要求的20%，結構處于彈性工作狀態。

(3)通過靜載試驗結果與有限元計算相結合的方法來全面分析渡槽在各個工況下的應力分布和撓度極值，并引入了相對殘余撓度指標來綜合反映渡槽的承載能力，為渡槽的承載能力分析提供新的思路，但渡槽的形式多，對于不同的渡槽，應該對各個指標的限值做相應的研究。