龙马垭渡槽静载实验及承载能力研究

胡骏峰，杜 普

(四川水发勘测设计研究有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概况

龙马垭渡槽全长253m，设计流量为12.5m3/s，加大流量为15m3/s。渡槽结构形式为U型支撑结构简支梁式，预应力渡槽段跨度25m，槽身高4.35m、宽5.4m、半径2.2m，渡槽混凝土标号为C50W6F100预应力钢筋混凝土。锚索材料为φ15.2(1×7)低松弛预应力钢绞线，极限抗拉强度为1860MPa，分为纵向张拉和横向张拉两部分。渡槽底部纵向张拉为8根钢绞线组成一束为一个整体，共7束；上部纵向张拉为2根钢绞线组成一束为一个整体，共4束；横向张拉采用环向张拉，钢绞线由2根组成一束为一个整体，共62束。目前，许多研究人员对渡槽进行了静载试验，张保军[1]通过对隔河岩通航渡槽进行5级蓄水静载试验，通过挠度值来判断渡槽处于安全稳定状态；何建新[2]对克孜河渡槽进行充水试验，通过挠度极值、相对残余挠度和挠度校验来判断渡槽的承载力满足要求。大多数研究者从静载实验的挠度数据来分析渡槽的承载能力，但是将静载实验与有限元计算相结合更能综合地反映渡槽的承载能力，这是因为静载试验布置传感器的数量有限，不一定能完整地反映整个槽身内外壁的应力情况，采用有限元计算与静载试验相结合，在验证有限元计算模型正确的情况下，能全面地反映整个渡槽结构的应力和位移情况。

2 有限元计算模型

根据渡槽的实际情况，建立对应的有限元模型。渡槽结构采用Solid45实体单元，钢绞线采用Link180锚索单元进行模拟[3-5]，垫板采用4节点的Shell181壳单元模拟。模型顺水流方向为z轴，横水流方向为x轴，重力方向为y轴。模拟预应力钢绞线与混凝土之间的相互作用通过采用约束方程法来实现[6]。钢绞线的有效应力值通过埋设在槽身内部的传感器来进行读取，在有限元计算中采用降温法对模型施加预应力[6]。如图1所示。

图1 渡槽模型网格

3 静载试验方案

3.1 荷载加载方式

渡槽槽身的加载使用沙袋，加载时根据相应的配重沙袋均匀地铺放在渡槽上，根据相应的规范和静载试验的内容，加载的工况主要有以4种：加载1，自重+钢绞线预应力+半槽水深配重(104.05t)；加载2，自重+钢绞线预应力+设计水深配重(186.00t)；加载3，自重+钢绞线预应力+加大水深配重(214.63t)；加载4，自重+钢绞线预应力+满槽水深配重(227.26t)。卸荷时，采用3级卸荷：卸载1，将槽内填土降至加大水深配重；卸载2，将填土降至设计水深配重，持荷稳定后进行观测记录；卸载3，将填土降至半槽水深配重持荷稳定后进行观测记录数据。

3.2 荷载试验数据采集

应力测试：采用在渡槽的内外壁截面上粘贴混凝土应变片(阻值120Ω)来进行测量，并通过不同位置补偿点实现对环境温度等因素的补偿，应变采用静态数据记录系统和数字应变仪自动采集存储。应变片粘贴在渡槽跨中底板的边壁，测量边壁的环向和纵向应力。变形测试：在槽身外侧的底部，设置不同的观测点，采用高精密水准仪进行测量，记录槽身的形变。温度测量：采用红外温度测试仪测量梁体表面温度及环境温度。

4 静载试验与仿真

4.1 静载试验结果

静载试验结果如图2所示。

图2 跨中槽底纵向、环向应力值

对应变片采集的数据进行处理，得出静载实验下槽身跨中的纵向应力值和环向应力值，根据实验数据可以知道在跨中的断面上整体渡槽受压，环向压应力值最大值为2.88MPa，纵向压应力最大值为1.78MPa。随着荷载的增加，渡槽底板纵向压应力和环向压应力均减少。将静载实验的结果与有限元仿真计算的结果进行对比，两者结果相差不大，相对误差均在10%以内。为了避免基础沉降等因素对挠度的影响，对所有监测所得到的位移数据减去基础和支座的变形量，从而得到槽身的挠度值。由静载试验挠度值随荷载变化的图(如图3—4所示)可知，随着荷载的增加，挠度值逐渐增加，在加载4工况的时候(满槽水工况)，渡槽的挠度值最大，为2.21mm。由图4可知，渡槽的挠度值与所加荷载线性相关系数为0.99，线性非常关系显著，表明结构在加载过程中始终呈弹性工作状态。同样，在卸载工况中，随着槽身荷载降低，挠度值逐渐减少，并且恢复到接近加载前的数值，也说明渡槽处于弹性工作的阶段。有限元计算结果和静载试验的结果趋势一致，各个工况下的挠度值相对误差均在10%以内。综合静载试验和有限元计算的结果可以知道，有限元的计算模型和参数是正确的，可以用有限元计算来反映渡槽在运营期的受力情况，并对其进行承载力分析。

图3 跨中挠度值

图4 挠度值随荷载的变化

4.2 渡槽运营期仿真

渡槽运营期仿真如图5—6所示。

图5 温降工况下的应力和变形云图

龙马垭渡槽在运行时期主要受到风荷载、温度荷载、水重和预应力的作用[7]。由于在静载试验中没有进行温升和温降的加载，因此需要考虑在最大水荷载(即满槽水深荷载)叠加温度荷载时，渡槽的内外壁应力状况和渡槽的挠度值是否满足规范要求。采用有限元模型对渡槽在满槽水深下的温升工况(自重+预应力+满槽水深+温升)和温降工况(自重+预应力+满槽水深+温降)进行模拟，并根据计算结果查看渡槽的内外壁应力和位移是否满足要求。由于预应力钢绞线端头与槽身相连接的节点在施加预应力后，出现了明显的应力集中现象，此节点的值是不准确的，因此查看应力结果时应将此部分的应力结果舍去。在温升工况下(如图6所示)，渡槽的内壁整体受压，其中内壁最大压应力为5.86MPa，出现在内壁靠近端肋的位置。槽身外壁拉应力最大值为0.27MPa，出现在渡槽的跨中底部。渡槽的竖向挠度值最大为2.926mm，远小于规范的允许值41.61mm，说明槽身在纵向预应力钢筋的作用下，渡槽的整体刚度较大，竖向挠度值较小。温降工况(如图5所示)与温升工况相似，内壁整体受压，内壁最大压应力为5.07MPa，同样也出现在内壁靠近端肋的位置，槽身外壁拉应力最大值为0.69MPa，出现在渡槽的跨中底部，渡槽的竖向挠度值最大为2.872mm。综上所述，渡槽在运营状态下应力和位移满足规范要求。

图6 温升工况下的应力和变形云图

4.3 相对残余挠度

水利工程规范上是采用满槽水深工况下挠度的最大值来判断渡槽的承载能力，但是挠度这个指标比较单一，不能反映渡槽结构的弹性工作性能。由于渡槽的水位在运行期是一直变化的，若渡槽结构的弹性性能较差，在长时间荷载反复变化的过程中会使得渡槽变形缓慢增大，最后使得结构不能满足正常运行要求。因此，需要用相对残余挠度来评价渡槽的弹性工作性能，保证渡槽在长期使用中的安全性。相对残余挠度是表明荷载减少之后，变形弹性恢复的性能，其值越小，则结构的弹性性能越好，规范中要求小于规范限制的20%[8]。在静载实验中，龙马垭渡槽实测残余挠度为0.12mm，满槽水深下实测跨中挠度为2.21mm，计算所得相对残余挠度为5.42%，小于限值要求的20%，结合挠度值随荷载的变化以及荷载与位移的拟合线，表明槽身处于弹性工作状态。

5 结语

(1)对渡槽在静载试验中的应力和变形实测值与有限元计算结果相对比，两者的相对误差在10%以内，说明有限元模型是准确的。在渡槽的运行工况中，结果表明渡槽内壁都处于受压状态，满足抗裂要求；渡槽的竖向位移值较小，整体刚度较大，挠度满足规范要求[9]。

(2)采用相对残余挠度来反映结构的弹性工作性能，根据静载实验结果，计算所得相对残余挠度为5.42%，小于限值要求的20%，结构处于弹性工作状态。

(3)通过静载试验结果与有限元计算相结合的方法来全面分析渡槽在各个工况下的应力分布和挠度极值，并引入了相对残余挠度指标来综合反映渡槽的承载能力，为渡槽的承载能力分析提供新的思路，但渡槽的形式多，对于不同的渡槽，应该对各个指标的限值做相应的研究。