龍馬埡渡槽靜載實(shí)驗(yàn)及承載能力研究

胡駿峰，杜 普

(四川水發(fā)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

龍馬埡渡槽全長(zhǎng)253m，設(shè)計(jì)流量為12.5m3/s，加大流量為15m3/s。渡槽結(jié)構(gòu)形式為U型支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支梁式，預(yù)應(yīng)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(biāo)號(hào)為C50W6F100預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。錨索材料為φ15.2(1×7)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，極限抗拉強(qiáng)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(gè)整體，共7束；上部縱向張拉為2根鋼絞線組成一束為一個(gè)整體，共4束；橫向張拉采用環(huán)向張拉，鋼絞線由2根組成一束為一個(gè)整體，共62束。目前，許多研究人員對(duì)渡槽進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，張保軍[1]通過(guò)對(duì)隔河巖通航渡槽進(jìn)行5級(jí)蓄水靜載試驗(yàn)，通過(guò)撓度值來(lái)判斷渡槽處于安全穩(wěn)定狀態(tài)；何建新[2]對(duì)克孜河渡槽進(jìn)行充水試驗(yàn)，通過(guò)撓度極值、相對(duì)殘余撓度和撓度校驗(yàn)來(lái)判斷渡槽的承載力滿足要求。大多數(shù)研究者從靜載實(shí)驗(yàn)的撓度數(shù)據(jù)來(lái)分析渡槽的承載能力，但是將靜載實(shí)驗(yàn)與有限元計(jì)算相結(jié)合更能綜合地反映渡槽的承載能力，這是因?yàn)殪o載試驗(yàn)布置傳感器的數(shù)量有限，不一定能完整地反映整個(gè)槽身內(nèi)外壁的應(yīng)力情況，采用有限元計(jì)算與靜載試驗(yàn)相結(jié)合，在驗(yàn)證有限元計(jì)算模型正確的情況下，能全面地反映整個(gè)渡槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移情況。

2 有限元計(jì)算模型

根據(jù)渡槽的實(shí)際情況，建立對(duì)應(yīng)的有限元模型。渡槽結(jié)構(gòu)采用Solid45實(shí)體單元，鋼絞線采用Link180錨索單元進(jìn)行模擬[3-5]，墊板采用4節(jié)點(diǎn)的Shell181殼單元模擬。模型順?biāo)鞣较驗(yàn)閦軸，橫水流方向?yàn)閤軸，重力方向?yàn)閥軸。模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線與混凝土之間的相互作用通過(guò)采用約束方程法來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。鋼絞線的有效應(yīng)力值通過(guò)埋設(shè)在槽身內(nèi)部的傳感器來(lái)進(jìn)行讀取，在有限元計(jì)算中采用降溫法對(duì)模型施加預(yù)應(yīng)力[6]。如圖1所示。

圖1 渡槽模型網(wǎng)格

3 靜載試驗(yàn)方案

3.1 荷載加載方式

渡槽槽身的加載使用沙袋，加載時(shí)根據(jù)相應(yīng)的配重沙袋均勻地鋪放在渡槽上，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范和靜載試驗(yàn)的內(nèi)容，加載的工況主要有以4種：加載1，自重+鋼絞線預(yù)應(yīng)力+半槽水深配重(104.05t)；加載2，自重+鋼絞線預(yù)應(yīng)力+設(shè)計(jì)水深配重(186.00t)；加載3，自重+鋼絞線預(yù)應(yīng)力+加大水深配重(214.63t)；加載4，自重+鋼絞線預(yù)應(yīng)力+滿槽水深配重(227.26t)。卸荷時(shí)，采用3級(jí)卸荷：卸載1，將槽內(nèi)填土降至加大水深配重；卸載2，將填土降至設(shè)計(jì)水深配重，持荷穩(wěn)定后進(jìn)行觀測(cè)記錄；卸載3，將填土降至半槽水深配重持荷穩(wěn)定后進(jìn)行觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)。

3.2 荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

應(yīng)力測(cè)試：采用在渡槽的內(nèi)外壁截面上粘貼混凝土應(yīng)變片(阻值120Ω)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)不同位置補(bǔ)償點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度等因素的補(bǔ)償，應(yīng)變采用靜態(tài)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和數(shù)字應(yīng)變儀自動(dòng)采集存儲(chǔ)。應(yīng)變片粘貼在渡槽跨中底板的邊壁，測(cè)量邊壁的環(huán)向和縱向應(yīng)力。變形測(cè)試：在槽身外側(cè)的底部，設(shè)置不同的觀測(cè)點(diǎn)，采用高精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，記錄槽身的形變。溫度測(cè)量：采用紅外溫度測(cè)試儀測(cè)量梁體表面溫度及環(huán)境溫度。

4 靜載試驗(yàn)與仿真

4.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果

靜載試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 跨中槽底縱向、環(huán)向應(yīng)力值

對(duì)應(yīng)變片采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出靜載實(shí)驗(yàn)下槽身跨中的縱向應(yīng)力值和環(huán)向應(yīng)力值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以知道在跨中的斷面上整體渡槽受壓，環(huán)向壓應(yīng)力值最大值為2.88MPa，縱向壓應(yīng)力最大值為1.78MPa。隨著荷載的增加，渡槽底板縱向壓應(yīng)力和環(huán)向壓應(yīng)力均減少。將靜載實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與有限元仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者結(jié)果相差不大，相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)。為了避免基礎(chǔ)沉降等因素對(duì)撓度的影響，對(duì)所有監(jiān)測(cè)所得到的位移數(shù)據(jù)減去基礎(chǔ)和支座的變形量，從而得到槽身的撓度值。由靜載試驗(yàn)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(shí)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(guān)系數(shù)為0.99，線性非常關(guān)系顯著，表明結(jié)構(gòu)在加載過(guò)程中始終呈彈性工作狀態(tài)。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(fù)到接近加載前的數(shù)值，也說(shuō)明渡槽處于彈性工作的階段。有限元計(jì)算結(jié)果和靜載試驗(yàn)的結(jié)果趨勢(shì)一致，各個(gè)工況下的撓度值相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)。綜合靜載試驗(yàn)和有限元計(jì)算的結(jié)果可以知道，有限元的計(jì)算模型和參數(shù)是正確的，可以用有限元計(jì)算來(lái)反映渡槽在運(yùn)營(yíng)期的受力情況，并對(duì)其進(jìn)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(yùn)營(yíng)期仿真

渡槽運(yùn)營(yíng)期仿真如圖5—6所示。

圖5 溫降工況下的應(yīng)力和變形云圖

龍馬埡渡槽在運(yùn)行時(shí)期主要受到風(fēng)荷載、溫度荷載、水重和預(yù)應(yīng)力的作用[7]。由于在靜載試驗(yàn)中沒(méi)有進(jìn)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(shí)，渡槽的內(nèi)外壁應(yīng)力狀況和渡槽的撓度值是否滿足規(guī)范要求。采用有限元模型對(duì)渡槽在滿槽水深下的溫升工況(自重+預(yù)應(yīng)力+滿槽水深+溫升)和溫降工況(自重+預(yù)應(yīng)力+滿槽水深+溫降)進(jìn)行模擬，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果查看渡槽的內(nèi)外壁應(yīng)力和位移是否滿足要求。由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線端頭與槽身相連接的節(jié)點(diǎn)在施加預(yù)應(yīng)力后，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此節(jié)點(diǎn)的值是不準(zhǔn)確的，因此查看應(yīng)力結(jié)果時(shí)應(yīng)將此部分的應(yīng)力結(jié)果舍去。在溫升工況下(如圖6所示)，渡槽的內(nèi)壁整體受壓，其中內(nèi)壁最大壓應(yīng)力為5.86MPa，出現(xiàn)在內(nèi)壁靠近端肋的位置。槽身外壁拉應(yīng)力最大值為0.27MPa，出現(xiàn)在渡槽的跨中底部。渡槽的豎向撓度值最大為2.926mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范的允許值41.61mm，說(shuō)明槽身在縱向預(yù)應(yīng)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(nèi)壁整體受壓，內(nèi)壁最大壓應(yīng)力為5.07MPa，同樣也出現(xiàn)在內(nèi)壁靠近端肋的位置，槽身外壁拉應(yīng)力最大值為0.69MPa，出現(xiàn)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(yùn)營(yíng)狀態(tài)下應(yīng)力和位移滿足規(guī)范要求。

圖6 溫升工況下的應(yīng)力和變形云圖

4.3 相對(duì)殘余撓度

水利工程規(guī)范上是采用滿槽水深工況下?lián)隙鹊淖畲笾祦?lái)判斷渡槽的承載能力，但是撓度這個(gè)指標(biāo)比較單一，不能反映渡槽結(jié)構(gòu)的彈性工作性能。由于渡槽的水位在運(yùn)行期是一直變化的，若渡槽結(jié)構(gòu)的彈性性能較差，在長(zhǎng)時(shí)間荷載反復(fù)變化的過(guò)程中會(huì)使得渡槽變形緩慢增大，最后使得結(jié)構(gòu)不能滿足正常運(yùn)行要求。因此，需要用相對(duì)殘余撓度來(lái)評(píng)價(jià)渡槽的彈性工作性能，保證渡槽在長(zhǎng)期使用中的安全性。相對(duì)殘余撓度是表明荷載減少之后，變形彈性恢復(fù)的性能，其值越小，則結(jié)構(gòu)的彈性性能越好，規(guī)范中要求小于規(guī)范限制的20%[8]。在靜載實(shí)驗(yàn)中，龍馬埡渡槽實(shí)測(cè)殘余撓度為0.12mm，滿槽水深下實(shí)測(cè)跨中撓度為2.21mm，計(jì)算所得相對(duì)殘余撓度為5.42%，小于限值要求的20%，結(jié)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(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)渡槽在靜載試驗(yàn)中的應(yīng)力和變形實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，兩者的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，說(shuō)明有限元模型是準(zhǔn)確的。在渡槽的運(yùn)行工況中，結(jié)果表明渡槽內(nèi)壁都處于受壓狀態(tài)，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(guī)范要求[9]。

(2)采用相對(duì)殘余撓度來(lái)反映結(jié)構(gòu)的彈性工作性能，根據(jù)靜載實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算所得相對(duì)殘余撓度為5.42%，小于限值要求的20%，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

(3)通過(guò)靜載試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算相結(jié)合的方法來(lái)全面分析渡槽在各個(gè)工況下的應(yīng)力分布和撓度極值，并引入了相對(duì)殘余撓度指標(biāo)來(lái)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(duì)于不同的渡槽，應(yīng)該對(duì)各個(gè)指標(biāo)的限值做相應(yīng)的研究。