劉 濤

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 概述

新疆地區(qū)氣候變化明顯，晝夜溫差大，大風(fēng)等天氣持續(xù)較長(zhǎng)，長(zhǎng)期以來在冷熱風(fēng)干的氣候條件影響下，各類建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力有所下降，影響渡槽的長(zhǎng)久使用，對(duì)渡槽進(jìn)行充水試驗(yàn)是保證渡槽運(yùn)行安全的重要舉措[1]。李建偉[2]介紹了泲河渡槽充水試驗(yàn)前后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、撓度和沉降變形等安全監(jiān)測(cè)成果，結(jié)果表明，工程質(zhì)量可靠、結(jié)構(gòu)安全，滿足設(shè)計(jì)和通水要求；徐家灣連續(xù)剛構(gòu)渡槽箱梁通過進(jìn)行充水試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明渡槽的施工質(zhì)量較好，結(jié)構(gòu)偏于安全[3-4]；鄧成發(fā)等[5]對(duì)大塘口渡槽進(jìn)行了現(xiàn)狀調(diào)查分析、地質(zhì)勘察、現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)等方法，分析了渡槽的安全現(xiàn)狀。龍場(chǎng)渡槽通過充水試驗(yàn)監(jiān)測(cè)表明，應(yīng)力和變形規(guī)律與設(shè)計(jì)理論值基本一致，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性[6]。

渡槽結(jié)構(gòu)屬于水工建筑物，但其結(jié)構(gòu)形式與橋梁有很大的相似性，采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元軟件Midas進(jìn)行針對(duì)性計(jì)算分析。但是，與橋梁相比，渡槽結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)類型及受力方面有獨(dú)有的特點(diǎn)，其中最為突出的特點(diǎn)為渡槽頂部具有大量的水體，致使其整個(gè)槽身的質(zhì)量是橋梁的幾倍乃至十幾倍，因此，針對(duì)渡槽的豎向承載能力監(jiān)測(cè)分析尤為重要。開展克孜河渡槽充水試驗(yàn)是驗(yàn)證設(shè)計(jì)成果，保證渡槽運(yùn)行安全的重要舉措，也為其他類似工程提供了參考依據(jù)。

a 渡槽儀器現(xiàn)場(chǎng)布置

2 工程概況

克孜河渡槽位于新疆喀什地區(qū)，在總干渠分水閘下游約460 m處克孜河河床最窄，寬度約650 m處布置跨克孜河渡槽，樁號(hào)為0+500～1+240。渡槽的設(shè)計(jì)流量為87 m3/s，加大流量為100 m3/s，槽身段長(zhǎng)為660 m，共分22跨，每跨為30 m，為“先澆后張”預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，槽身橫斷面采用雙槽式全封閉式箱型渡槽，縱坡為1/550，單孔尺寸為5.5 m×3.5 m(寬×高)，下部結(jié)構(gòu)采用3根排架柱，柱頂設(shè)置蓋梁，柱底位于鋼筋混凝土承臺(tái)上。渡槽混凝土分2次澆筑，首次滿堂支架澆筑至八字墻以上25 cm，高度為155 cm，第2次采用鋼模臺(tái)車澆筑腹板、頂板結(jié)構(gòu)。渡槽概貌如圖1所示。

圖1 渡槽概貌示意

3 安全監(jiān)測(cè)儀器布置

克孜河渡槽為新疆喀什地區(qū)一中型渡槽，為了檢驗(yàn)渡槽的實(shí)際承載能力儲(chǔ)備情況，通過對(duì)渡槽某一部分展開充排水試驗(yàn)，模擬渡槽正常通水階段的工作狀態(tài)。本文以渡槽第7跨為監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的跨中豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并通過有限元計(jì)算驗(yàn)證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過在跨中測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3埋設(shè)應(yīng)變計(jì)、位移計(jì)監(jiān)測(cè)克孜河渡槽在水荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變、撓度等變化規(guī)律，以此來評(píng)價(jià)渡槽在水荷載作用下的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)承載要求。監(jiān)測(cè)儀器布置如圖2所示。

4 充水試驗(yàn)方案

4.1 封堵方案

在渡槽第6段下游和第9段上游砌筑磚墻，高為3.0 m，確保兩端的砌筑磚墻形成封堵圍堰，可以滿足充水試驗(yàn)過程中受力、防滲等要求，使渡槽第7、8兩跨順利完成充水試驗(yàn)，在下游封堵磚墻靠近底板的位置設(shè)2根塑料DN300的排水管，便于渡槽第7、8兩跨進(jìn)行排水。

4.2 充排水方案

準(zhǔn)備工作完成后采用雙槽同時(shí)充水，充水時(shí)槽內(nèi)水位均勻上升。水荷載施加選用設(shè)計(jì)流量水深(2.47 m)和加大流量水深(2.63 m)2種工況為基礎(chǔ)工況，為了能更好反應(yīng)渡槽的極限工作狀態(tài)，增加滿槽水深(3.00 m)。本次充水試驗(yàn)根據(jù)水深的不同分為6級(jí)加載和卸載[7]，卸載的試驗(yàn)方案應(yīng)與加載階段保持一致。各級(jí)充水流量、水位、水量見表1。

表1 第七跨各級(jí)充水加載試驗(yàn)充水特性統(tǒng)計(jì)

5 安全監(jiān)測(cè)成果與分析

5.1 位移計(jì)監(jiān)測(cè)成果與分析

1)位移計(jì)監(jiān)測(cè)成果。充水試驗(yàn)第7跨跨中豎向位移增量。充水至加大水深時(shí)，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3的豎向位移均由0分別增至2.55 mm、3.12 mm、2.45 mm；滿槽水深時(shí)，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3的豎向位移均由0分別增至2.92 mm、3.54 mm、2.76 mm。每一級(jí)荷載均需保持30 min的穩(wěn)荷時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)實(shí)測(cè)的位移值變幅逐漸減小，且時(shí)段末連續(xù)10 min內(nèi)撓度值趨于穩(wěn)定，說明在穩(wěn)荷時(shí)段內(nèi)撓度協(xié)調(diào)變形完成，可進(jìn)行下一級(jí)加載，因此，以30 min作為穩(wěn)荷時(shí)間是可行且合理的。各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)成果均是在穩(wěn)荷時(shí)段內(nèi)監(jiān)測(cè)，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠穩(wěn)定性。

2)位移計(jì)監(jiān)測(cè)成果分析。各梁測(cè)點(diǎn)的豎向位移在滿槽水荷載時(shí)最大，豎向位移(撓度)變化規(guī)律符合渡槽結(jié)構(gòu)變形的一般規(guī)律。充水試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)豎向位移及線性回歸擬合如圖3所示。

由圖3可以看出，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3豎向位移的實(shí)測(cè)值趨勢(shì)相近，測(cè)點(diǎn)2的豎向位移極值始終大于其他兩測(cè)點(diǎn)，因?yàn)樵诶碚撋蠝y(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3所在的邊縱梁所受水荷載相近，而測(cè)點(diǎn)2所在的中縱梁所受水荷載要大于邊縱梁所承受的水荷載。從圖3可以看出各梁各測(cè)點(diǎn)的位移極值變化情況以及荷載與撓度是呈現(xiàn)線性關(guān)系。充水試驗(yàn)開始至充水試驗(yàn)結(jié)束期間，位移計(jì)從0開始增長(zhǎng)至最大值，然后在排水過程中平穩(wěn)恢復(fù)到充水前的狀態(tài)，卸去水荷載后，位移計(jì)顯示歸0情況正常。

圖3 充水試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)豎向位移及線性回歸擬合示意

依據(jù)渡槽結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析，預(yù)應(yīng)力作為結(jié)構(gòu)本身一部分，不考慮預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上拱撓度，渡槽自重產(chǎn)生的豎向位移為1 mm，滿槽水荷載情況下，豎向位移極值為4.75 mm[8-9]，測(cè)點(diǎn)2實(shí)測(cè)豎向位移極值為3.54 mm。渡槽的實(shí)測(cè)結(jié)果及有限元計(jì)算結(jié)果小于規(guī)范限值50 mm[10]，說明克孜河渡槽在水荷載作用下的抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)成果與分析

1)混凝土應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)成果。充水試驗(yàn)第7跨跨中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽浚S著水深的增加，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的變化規(guī)律和位移趨勢(shì)相近。在滿槽水深時(shí)，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3的應(yīng)變達(dá)到峰值，應(yīng)變極值分別為47.19 με、60.83 με、50.10 με。各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)成果均是在穩(wěn)荷時(shí)段內(nèi)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)要點(diǎn)與位移計(jì)監(jiān)測(cè)相同。

2)混凝土應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)成果分析。在施加第1級(jí)水荷載后，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3的應(yīng)變?cè)隽糠謩e達(dá)到23.01 με、29.10 με和26.17 με，變化量達(dá)到總應(yīng)變的40%～50%，在小工況下位移變化過大，因此，需要對(duì)應(yīng)變0點(diǎn)進(jìn)行修正，修正后的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變0點(diǎn)分別為17.93、20.63、24.25[7]。對(duì)各測(cè)點(diǎn)水荷載和應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行線性回歸擬合，充水試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)變及線性回歸擬合見圖4所示。

線性擬合后，在滿槽水荷載下，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3的應(yīng)變?cè)隽繛?9.26 με、42.20 με、25.85 με，由胡克定律可以知道各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力增量分別為1.17 MPa、1.69 MPa、1.03 MPa。由圖4可以看出隨著水深的增加，應(yīng)變也在增加，而且應(yīng)變隨水深增加基本呈線性變化，說明在加載過程直至滿槽荷載，克孜河渡槽處于線彈性狀態(tài)，無較大的不可恢復(fù)變形。

圖4 充水試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)變及線性回歸擬合示意

5.3 有限元計(jì)算分析

考慮渡槽與橋梁結(jié)構(gòu)方面具有受力相似性[11]，采用橋梁工程結(jié)構(gòu)有限元Midas軟件進(jìn)行計(jì)算分析，極大的簡(jiǎn)化了計(jì)算模型(如圖5所示)。渡槽混凝土采用六面體八節(jié)點(diǎn)為主要的單元進(jìn)行劃分，共計(jì)103 521個(gè)單元，111 259個(gè)節(jié)點(diǎn)[12]。有限元模型中，坐標(biāo)軸x以順槽向?yàn)檎?，y以橫槽向?yàn)檎?，z以豎直向上為正，計(jì)算取豎向位移向上為(-)，向下為(+)，網(wǎng)格模型通過無關(guān)化檢查后滿足要求。

圖5 渡槽第7跨有限元網(wǎng)格模型示意

邊界約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，邊界條件設(shè)置為支承結(jié)構(gòu)的端部約束為一端固定，一端簡(jiǎn)支，并在槽身兩端設(shè)置x向位移約束，忽略地基和支撐槽墩變形對(duì)槽身的作用，僅考慮水荷載等效為均布荷載進(jìn)行模擬。作為參照，材料的邊界條件設(shè)置與實(shí)體模型保持一致，以便為計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出科學(xué)對(duì)比。

槽身荷載組合包括槽身結(jié)構(gòu)自重，混凝土彈性模量4.0×104N/mm2，泊松比0.167，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=32.4 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=23.1 MPa；軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.64 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fk=1.89 MPa；水荷載豎向壓力，因水流速度較小，按照靜荷載施加；預(yù)應(yīng)力荷載，彈性模量為1.95×105N/mm2，泊松比為0.25，單根鋼絞線直徑為15.2 mm，面積為139 mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1 395 MPa，7股鋼絞線有效預(yù)壓應(yīng)力為15.54 t，12股每束鋼絞線有效預(yù)壓應(yīng)力為26.64 t；人群荷載；風(fēng)荷載；地震荷等，本文主要研究水荷載對(duì)渡槽承載能力的不利影響，經(jīng)分析，采用滿槽水荷載運(yùn)行并施加預(yù)應(yīng)力為控制工況，跨中應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果見表2所示。

表2 應(yīng)力有限元計(jì)算結(jié)果 MPa

模型采用有限元分析軟件Midas建立，由有限元計(jì)算結(jié)果可知，預(yù)應(yīng)力水平下中梁底板空載時(shí)應(yīng)力為-2.53 MPa，實(shí)測(cè)應(yīng)力增量為1.69 MPa，滿槽荷載下中梁底板應(yīng)力仍有-0.84 MPa；邊梁底板空載時(shí)應(yīng)力為-1.66 MPa，實(shí)測(cè)應(yīng)力增量為1.17 MPa，滿槽荷載下邊梁底板應(yīng)力仍有-0.49 MPa，與渡槽滿載情況下有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合，從而驗(yàn)證了充水試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。位移從渡槽原位試驗(yàn)和理論計(jì)算均說明了渡槽的跨中豎向位移與應(yīng)力情況均滿足設(shè)計(jì)承載要求。

6 結(jié)語

本文依托克孜河渡槽，結(jié)合1次充水試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，采用有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)渡槽的承載能力進(jìn)行理論說明，結(jié)合理論和實(shí)際分析，渡槽在水荷載作用下的承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，得出以下結(jié)論：

1)在本次試驗(yàn)中，采用位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)渡槽跨中的豎向位移和應(yīng)力應(yīng)變情況，以水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的位移限值為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以Midas軟件進(jìn)行跨中結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算，在雙重結(jié)果分析及嚴(yán)格質(zhì)量檢查下，可以更加科學(xué)的說明在水荷載作用下，渡槽的承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，為渡槽正常運(yùn)行提供了安全依據(jù)。

2)依據(jù)《水工鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)規(guī)定渡槽撓度的允許值為計(jì)算跨度的1/500或1/600(跨度大于10 m者)，相應(yīng)撓度的允許值為50 mm?？俗魏佣刹鄢渌囼?yàn)的撓度極值發(fā)生在渡槽滿槽工況下，其實(shí)測(cè)值僅為3.54 mm，低于規(guī)范的允許值，全截面受壓，且運(yùn)行期梁底未出現(xiàn)拉應(yīng)力，說明渡槽混凝土承載能力滿足設(shè)計(jì)要求，預(yù)應(yīng)力筋設(shè)置經(jīng)濟(jì)合理。綜上分析，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。