大型预应力梁式渡槽应力变形监测与仿真分析

刘帅 翟聚云

摘要：沙河渡槽是南水北调中线建设的关键性工程，采用预制吊装的U形梁式渡槽结构形式，体型巨大、受力情况复杂，其施工和运行的安全性对南水北调中线建设具有重要影响。通过渡槽监测方案设计，监测渡槽跨中截面底部纵向钢筋应力及渡槽应变值，考虑渡槽在la监测期内温度变化的影响。采用有限元法建立渡槽在施工期和运营期的有限元计算模型，将有限元计算结果与施工期渡槽纵向钢筋应力和渡槽应变的监测结果进行对比分析，验证有限元模型的正确性。利用有限元计算模型分析了渡槽在运营期应力和位移分布规律，给出了渡槽应力和位移的变化云图，研究了渡槽关键截面内表面的应力变化曲线。结果表明，运营期渡槽在纵向和环向预应力作用下内表面基本为压应力，满足抗裂设计要求;渡槽竖向变形很小，满足刚度设计要求;有限元仿真分析结果验证了渡槽结构设计和施工方案的合理性。

关键词：梁式渡槽;有限元法;预应力;应力监测;温度荷载;南水北调中线工程

中图分类号：TV698.1

文献标志码：A

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

1 工程概况

沙河渡槽是南水北调中线建设的关键性工程。该渡槽位于河南省平顶山市鲁山县[1]，全长9 050 m，由梁式渡槽、箱基渡槽和落地槽3种槽型组成。这3种槽型根据工程所在区域的地质条件和河流形态进行沿线布置[2]。渡槽设计流量320 m3/s、加大流量380m3/s。梁式渡槽采用U形截面渡槽的结构形式，跨度为30 m，渡槽布置双联四槽，每两槽搁置在独立的槽墩上，支承形式为空间简支结构，采用预应力钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C50。U形渡槽单槽净高为7.40 m、净宽为8.00 m，槽壁厚度为0.35 m;槽底进行局部加厚处理，厚度为0.90 m.加厚段宽度为2.60m：顶部设有横梁，横梁截面尺寸为0.50 mx0.50 m，横梁间距为3m。

2 仿真模型

2.1 有限元模型

根据沙河渡槽工程的实际情况，建立相应的有限元计算模型。对于渡槽、槽墩和地基采用8节点三维等参块体单元模拟，渡槽支座处的锚垫板采用4节点的壳单元模拟，采用杆单元模拟预应力钢筋[3]。预应力钢筋与混凝土间的相互作用通过杆单元和块单元节点处的位移协调条件来实现，U形渡槽的预应力钢筋分为纵向预应力和环向预应力钢绞线。根据预应力孔道摩阻参数计算直线筋和曲线筋的预应力损失，从而得到有效控制应力。采用初应变法在计算模型中施加预应力[4-5]。沙河渡槽有限元计算模型见图1。

2.2 计算工况

沙河渡槽在施工和运营过程中的主要荷载包括渡槽自重、预应力、水压力、风荷载、人群荷载、温度荷载和地震作用等[6-7]。将这些荷载进行组合，主要考虑以下10种计算工况：工况1，自重+纵向预应力;工况2，自重+纵向预应力+环向预应力;工况3，自重+预应力+风荷载+人群荷载+夏季温升;工况4，自重+预应力+风荷载+人群荷载+冬季温降;工况5.自重+预应力+设计水深+风荷载+人群荷载+夏季温升;工况6，自重+预应力+设计水深+风荷载+人群荷载+冬季温降;工况7，自重+预应力+满槽水深+人群荷载+夏季温升;工况8.自重+预应力+满槽水深+人群荷载+冬季温降;工况9，自重+预应力+设计水深+风荷载+人群荷载+夏季温升+地震荷载;工况10，自重+预应力+设计水深+风荷载+人群荷载+冬季温降+地震荷载。

3 渡槽监测与仿真分析

3.1 监测方案

对沙河渡槽施工期的钢筋应力进行监测时主要采用钢筋计，应按照钢筋的截面尺寸选择钢筋计，采用串联的形式将钢筋计焊接在钢筋上，钢筋计的直径与被测钢筋的直径相同，钢筋计与被测钢筋轴线共线。钢筋计监测得到的轴力就是被测钢筋的受力值，然后通过钢筋的横截面面积换算成钢筋应力[8-9]。

3.2 施工期监测与对比分析

对沙河渡槽的钢筋应力进行监测时，选取渡槽跨中截面底部的纵向钢筋安装钢筋计L1，在渡槽跨中截面槽底埋设单向应变计S1进行应变监测。钢筋计和应变计以渡槽浇筑前的最后一次读数为基准值，该原型监测的时间段为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计算模型，模拟渡槽混凝土浇筑和外界温度变化的应力场，给出纵向钢筋应力及应变计算值，并将计算结果同监测结果进行对比，见图2、图3（图中拉应力为正值、压应力为负值）。

从监测值与分析值对比曲线可以看出，在la监测期内，渡槽外界温度经历了混凝土浇筑、外界夏季温升、冬季温降的过程，在施工过程中，纵向钢筋的压应力逐渐增大，当浇筑完成后纵向钢筋的压应力随着水化热的释放而逐渐趋于平缓，压应力稳定在-50 - -60MPa之间。应变变化规律与应力变化规律类似，应变值稳定在_250xl0^-6左右。有限元分析得到的纵向钢筋应力应变计算值与监测结果比较接近，变化规律一致，这也验证了有限元计算模型的正确性，为渡槽运营期的仿真分析提供了可靠的模型基础。

3.3 运营期结构分析

3.3.1 渡槽应力云图

通过分析渡槽在施工期和运营期各工況下的应力分布规律，得到了渡槽应力分布云图，工况3和工况5下渡槽应力云图见图4-图7。

通过分析可知，工况3下，渡槽纵向应力基本为压应力，最大压应力为20.10 MPa，出现在渡槽槽底的端部过渡段，这主要是渡槽槽底纵向预应力钢筋产生的效应;最大纵向拉应力出现在渡槽的上沿处，如果略去端部支座应力集中的影响，拉应力值为1.64 MPa，仅分布在渡槽的上沿层内。渡槽的横向应力和竖向应力也基本为压应力，只在渡槽端部支座附近较小区域内出现了部分拉应力，横向最大压应力为11.90 MPa、竖向最大压应力为20.60 MPa，这主要是环向预应力钢筋产生的压应力。工况5下，渡槽纵向应力仍以压应力为主，最大压应力为18.50 MPa.出现在渡槽槽底的端部附近，由于水荷载、人群荷载和温升荷载的作用，由预应力产生的渡槽上沿拉应力被抵消，上沿出现了压应力，压应力值为0.80 MPa左右。渡槽的横向应力和竖向应力也以压应力为主，这表明在渡槽的运营期，渡槽的预应力钢筋能够满足抗裂设计要求。

3.3.2 渡槽截面应力分布

为了分析渡槽内表面的应力分布规律，分别研究了各工况下渡槽1/2跨、1/4跨和1/8跨截面内表面应力变化曲线。由于渡槽内表面直接与水接触，因此应严格控制渡槽内表面的拉应力，避免渡槽开裂。工况5下渡槽各分析截面内表面应力变化曲线见图8-图13。该渡槽布置为双联四槽，图中的渡槽截面为单联两槽截面，两槽截面几何尺寸相同。

在工况5下，渡槽自重、预应力和水压力等荷载的共同作用下，渡槽内表面的纵向应力均为压应力，渡槽1/2跨截面槽底纵向压应力较小，为2 MPa左右，槽顶压应力较大，为9 MPa左右;渡槽1/4跨截面纵向应力沿渡槽高度方向变化很小，压应力值为5.5 MPa左右;渡槽1/8跨截面槽底纵向压应力较大，为9.5 MPa左右，槽顶压应力较小，为3 MPa左右。这样的纵向应力分布主要是纵向预应力筋使渡槽产生反拱，渡槽底部压应力大于渡槽顶部压应力，在自重荷载和水压力作用下，渡槽跨中的弯矩最大，在底部产生拉应力，抵消了一部分压应力，渡槽顶部由弯矩产生了压应力，在渡槽端部的弯矩较小，在底部产生的拉应力值也较小。渡槽各分析截面的环向应力变化很小，渡槽底部的环向压应力较小，甚至在渡槽端部截面底部出现了较小的拉应力，其拉应力值约为0.5 MPa。环向应力的分布规律主要是在水压力作用下，渡槽槽底出现横向负弯矩，槽底内表面受拉，抵消了由环向预应力产生的压应力。

3.3.3 渡槽位移分析

通过对沙河渡槽的位移分析，得到了渡槽在施工和运营过程中的位移分布规律，工况3和工况5下渡槽竖向位移云图和跨中截面位移矢量见图14 -图17。

由渡槽位移分析结果可知，在工况3下，受纵向预应力钢筋作用，渡槽的竖向出现了反拱，在自重和预应力的共同作用下，渡槽端部的竖向沉降位移为4.68mm，相对于渡槽端部，渡槽跨中截面最大上拱为14.50mm，出现在渡槽槽底，渡槽上沿处最大上拱为12. 16mm。随着环向预应力钢筋的张拉，渡槽跨中截面的上拱度略有增加，增加值约为0.10 mm，可见环向预应力钢筋对渡槽的上拱度影响很小。在工况5下，受渡槽自重、水荷载、风荷载、人群荷载和温升荷载的作用，渡槽产生向下弯曲的竖向变形，渡槽端部槽墩产生的竖向沉降位移为4.51 mm，渡槽跨中截面的最大竖向位移出现在渡槽上沿，为16.67 mm，槽底最大竖向位移为10.24 mm，出现如此的位移差主要是渡槽的上沿边缘发生了较大的斜向下的位移，这可以在跨中截面位移矢量图中看出来。渡槽跨中截面槽底的竖向弯曲变形为5.73 mm，由此可见，在纵向预应力钢筋的作用下，渡槽竖向挠度较小，整体刚度较大。

4 结语

（1）通过对渡槽施工期纵向钢筋监测应力值与有限元模型分析得到的钢筋应力值进行对比分析，两种应力值比较接近，证明了有限元模型的准确性及有效性。

（2）通过对渡槽应力的分析，表明渡槽在运营期的纵向应力和环向应力基本为压应力，特别是渡槽内表面基本处于受压状态，渡槽的应力分布满足强度要求。

（3）渡槽的位移分析表明，U形渡槽的整体刚度较大，竖向位移值较小，能够满足刚度要求，其中水荷载对渡槽的竖向位移影响较大。

参考文献：

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【责任编辑 马广州】

收稿日期：2019-07-10

基金项目：国家科技支撑计划重大项目（ JGZXJJ-10）

作者简介：刘帅（1988-），男，河南永城人，讲师，主要研究方向为岩土工程与地下工程结构