大型預(yù)應(yīng)力梁式渡槽應(yīng)力變形監(jiān)測(cè)與仿真分析

劉帥 翟聚云

摘要：沙河渡槽是南水北調(diào)中線建設(shè)的關(guān)鍵性工程，采用預(yù)制吊裝的U形梁式渡槽結(jié)構(gòu)形式，體型巨大、受力情況復(fù)雜，其施工和運(yùn)行的安全性對(duì)南水北調(diào)中線建設(shè)具有重要影響。通過(guò)渡槽監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)渡槽跨中截面底部縱向鋼筋應(yīng)力及渡槽應(yīng)變值，考慮渡槽在la監(jiān)測(cè)期內(nèi)溫度變化的影響。采用有限元法建立渡槽在施工期和運(yùn)營(yíng)期的有限元計(jì)算模型，將有限元計(jì)算結(jié)果與施工期渡槽縱向鋼筋應(yīng)力和渡槽應(yīng)變的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證有限元模型的正確性。利用有限元計(jì)算模型分析了渡槽在運(yùn)營(yíng)期應(yīng)力和位移分布規(guī)律，給出了渡槽應(yīng)力和位移的變化云圖，研究了渡槽關(guān)鍵截面內(nèi)表面的應(yīng)力變化曲線。結(jié)果表明，運(yùn)營(yíng)期渡槽在縱向和環(huán)向預(yù)應(yīng)力作用下內(nèi)表面基本為壓應(yīng)力，滿足抗裂設(shè)計(jì)要求;渡槽豎向變形很小，滿足剛度設(shè)計(jì)要求;有限元仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案的合理性。

關(guān)鍵詞：梁式渡槽;有限元法;預(yù)應(yīng)力;應(yīng)力監(jiān)測(cè);溫度荷載;南水北調(diào)中線工程

中圖分類號(hào)：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)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(diào)中線建設(shè)的關(guān)鍵性工程。該渡槽位于河南省平頂山市魯山縣[1]，全長(zhǎng)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(jù)工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件和河流形態(tài)進(jìn)行沿線布置[2]。渡槽設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)形式，跨度為30 m，渡槽布置雙聯(lián)四槽，每?jī)刹蹟R置在獨(dú)立的槽墩上，支承形式為空間簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(jìn)行局部加厚處理，厚度為0.90 m.加厚段寬度為2.60m：頂部設(shè)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(jù)沙河渡槽工程的實(shí)際情況，建立相應(yīng)的有限元計(jì)算模型。對(duì)于渡槽、槽墩和地基采用8節(jié)點(diǎn)三維等參塊體單元模擬，渡槽支座處的錨墊板采用4節(jié)點(diǎn)的殼單元模擬，采用桿單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋[3]。預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土間的相互作用通過(guò)桿單元和塊單元節(jié)點(diǎn)處的位移協(xié)調(diào)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)，U形渡槽的預(yù)應(yīng)力鋼筋分為縱向預(yù)應(yīng)力和環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絞線。根據(jù)預(yù)應(yīng)力孔道摩阻參數(shù)計(jì)算直線筋和曲線筋的預(yù)應(yīng)力損失，從而得到有效控制應(yīng)力。采用初應(yīng)變法在計(jì)算模型中施加預(yù)應(yīng)力[4-5]。沙河渡槽有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

2.2 計(jì)算工況

沙河渡槽在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的主要荷載包括渡槽自重、預(yù)應(yīng)力、水壓力、風(fēng)荷載、人群荷載、溫度荷載和地震作用等[6-7]。將這些荷載進(jìn)行組合，主要考慮以下10種計(jì)算工況：工況1，自重+縱向預(yù)應(yīng)力;工況2，自重+縱向預(yù)應(yīng)力+環(huán)向預(yù)應(yīng)力;工況3，自重+預(yù)應(yīng)力+風(fēng)荷載+人群荷載+夏季溫升;工況4，自重+預(yù)應(yīng)力+風(fēng)荷載+人群荷載+冬季溫降;工況5.自重+預(yù)應(yīng)力+設(shè)計(jì)水深+風(fēng)荷載+人群荷載+夏季溫升;工況6，自重+預(yù)應(yīng)力+設(shè)計(jì)水深+風(fēng)荷載+人群荷載+冬季溫降;工況7，自重+預(yù)應(yīng)力+滿槽水深+人群荷載+夏季溫升;工況8.自重+預(yù)應(yīng)力+滿槽水深+人群荷載+冬季溫降;工況9，自重+預(yù)應(yīng)力+設(shè)計(jì)水深+風(fēng)荷載+人群荷載+夏季溫升+地震荷載;工況10，自重+預(yù)應(yīng)力+設(shè)計(jì)水深+風(fēng)荷載+人群荷載+冬季溫降+地震荷載。

3 渡槽監(jiān)測(cè)與仿真分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案

對(duì)沙河渡槽施工期的鋼筋應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)主要采用鋼筋計(jì)，應(yīng)按照鋼筋的截面尺寸選擇鋼筋計(jì)，采用串聯(lián)的形式將鋼筋計(jì)焊接在鋼筋上，鋼筋計(jì)的直徑與被測(cè)鋼筋的直徑相同，鋼筋計(jì)與被測(cè)鋼筋軸線共線。鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)得到的軸力就是被測(cè)鋼筋的受力值，然后通過(guò)鋼筋的橫截面面積換算成鋼筋應(yīng)力[8-9]。

3.2 施工期監(jiān)測(cè)與對(duì)比分析

對(duì)沙河渡槽的鋼筋應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，選取渡槽跨中截面底部的縱向鋼筋安裝鋼筋計(jì)L1，在渡槽跨中截面槽底埋設(shè)單向應(yīng)變計(jì)S1進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)。鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)以渡槽澆筑前的最后一次讀數(shù)為基準(zhǔn)值，該原型監(jiān)測(cè)的時(shí)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(jì)算模型，模擬渡槽混凝土澆筑和外界溫度變化的應(yīng)力場(chǎng)，給出縱向鋼筋應(yīng)力及應(yīng)變計(jì)算值，并將計(jì)算結(jié)果同監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2、圖3（圖中拉應(yīng)力為正值、壓應(yīng)力為負(fù)值）。

從監(jiān)測(cè)值與分析值對(duì)比曲線可以看出，在la監(jiān)測(cè)期內(nèi)，渡槽外界溫度經(jīng)歷了混凝土澆筑、外界夏季溫升、冬季溫降的過(guò)程，在施工過(guò)程中，縱向鋼筋的壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)澆筑完成后縱向鋼筋的壓應(yīng)力隨著水化熱的釋放而逐漸趨于平緩，壓應(yīng)力穩(wěn)定在-50 - -60MPa之間。應(yīng)變變化規(guī)律與應(yīng)力變化規(guī)律類似，應(yīng)變值穩(wěn)定在_250xl0^-6左右。有限元分析得到的縱向鋼筋應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算值與監(jiān)測(cè)結(jié)果比較接近，變化規(guī)律一致，這也驗(yàn)證了有限元計(jì)算模型的正確性，為渡槽運(yùn)營(yíng)期的仿真分析提供了可靠的模型基礎(chǔ)。

3.3 運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)分析

3.3.1 渡槽應(yīng)力云圖

通過(guò)分析渡槽在施工期和運(yùn)營(yíng)期各工況下的應(yīng)力分布規(guī)律，得到了渡槽應(yīng)力分布云圖，工況3和工況5下渡槽應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4-圖7。

通過(guò)分析可知，工況3下，渡槽縱向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為20.10 MPa，出現(xiàn)在渡槽槽底的端部過(guò)渡段，這主要是渡槽槽底縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的效應(yīng);最大縱向拉應(yīng)力出現(xiàn)在渡槽的上沿處，如果略去端部支座應(yīng)力集中的影響，拉應(yīng)力值為1.64 MPa，僅分布在渡槽的上沿層內(nèi)。渡槽的橫向應(yīng)力和豎向應(yīng)力也基本為壓應(yīng)力，只在渡槽端部支座附近較小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了部分拉應(yīng)力，橫向最大壓應(yīng)力為11.90 MPa、豎向最大壓應(yīng)力為20.60 MPa，這主要是環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的壓應(yīng)力。工況5下，渡槽縱向應(yīng)力仍以壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力為18.50 MPa.出現(xiàn)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(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的渡槽上沿拉應(yīng)力被抵消，上沿出現(xiàn)了壓應(yīng)力，壓應(yīng)力值為0.80 MPa左右。渡槽的橫向應(yīng)力和豎向應(yīng)力也以壓應(yīng)力為主，這表明在渡槽的運(yùn)營(yíng)期，渡槽的預(yù)應(yīng)力鋼筋能夠滿足抗裂設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 渡槽截面應(yīng)力分布

為了分析渡槽內(nèi)表面的應(yīng)力分布規(guī)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(nèi)表面應(yīng)力變化曲線。由于渡槽內(nèi)表面直接與水接觸，因此應(yīng)嚴(yán)格控制渡槽內(nèi)表面的拉應(yīng)力，避免渡槽開(kāi)裂。工況5下渡槽各分析截面內(nèi)表面應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖8-圖13。該渡槽布置為雙聯(lián)四槽，圖中的渡槽截面為單聯(lián)兩槽截面，兩槽截面幾何尺寸相同。

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

3.3.3 渡槽位移分析

通過(guò)對(duì)沙河渡槽的位移分析，得到了渡槽在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的位移分布規(guī)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(jiàn)圖14 -圖17。

由渡槽位移分析結(jié)果可知，在工況3下，受縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋作用，渡槽的豎向出現(xiàn)了反拱，在自重和預(yù)應(yīng)力的共同作用下，渡槽端部的豎向沉降位移為4.68mm，相對(duì)于渡槽端部，渡槽跨中截面最大上拱為14.50mm，出現(xiàn)在渡槽槽底，渡槽上沿處最大上拱為12. 16mm。隨著環(huán)向預(yù)應(yīng)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(jiàn)環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)渡槽的上拱度影響很小。在工況5下，受渡槽自重、水荷載、風(fēng)荷載、人群荷載和溫升荷載的作用，渡槽產(chǎn)生向下彎曲的豎向變形，渡槽端部槽墩產(chǎn)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(xiàn)在渡槽上沿，為16.67 mm，槽底最大豎向位移為10.24 mm，出現(xiàn)如此的位移差主要是渡槽的上沿邊緣發(fā)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(lái)。渡槽跨中截面槽底的豎向彎曲變形為5.73 mm，由此可見(jiàn)，在縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用下，渡槽豎向撓度較小，整體剛度較大。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)渡槽施工期縱向鋼筋監(jiān)測(cè)應(yīng)力值與有限元模型分析得到的鋼筋應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析，兩種應(yīng)力值比較接近，證明了有限元模型的準(zhǔn)確性及有效性。

（2）通過(guò)對(duì)渡槽應(yīng)力的分析，表明渡槽在運(yùn)營(yíng)期的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，特別是渡槽內(nèi)表面基本處于受壓狀態(tài)，渡槽的應(yīng)力分布滿足強(qiáng)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(duì)渡槽的豎向位移影響較大。

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【責(zé)任編輯 馬廣州】

收稿日期：2019-07-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目（ JGZXJJ-10）

作者簡(jiǎn)介：劉帥（1988-），男，河南永城人，講師，主要研究方向?yàn)閹r土工程與地下工程結(jié)構(gòu)