克孜河渡槽充水试验监测成果与有限元计算分析

刘 涛

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概述

新疆地区气候变化明显，昼夜温差大，大风等天气持续较长，长期以来在冷热风干的气候条件影响下，各类建筑物混凝土结构的承载能力有所下降，影响渡槽的长久使用，对渡槽进行充水试验是保证渡槽运行安全的重要举措[1]。李建伟[2]介绍了泲河渡槽充水试验前后的结构应力、挠度和沉降变形等安全监测成果，结果表明，工程质量可靠、结构安全，满足设计和通水要求；徐家湾连续刚构渡槽箱梁通过进行充水试验，监测结果表明渡槽的施工质量较好，结构偏于安全[3-4]；邓成发等[5]对大塘口渡槽进行了现状调查分析、地质勘察、现场安全检测等方法，分析了渡槽的安全现状。龙场渡槽通过充水试验监测表明，应力和变形规律与设计理论值基本一致，验证了结构的安全性与可靠性[6]。

渡槽结构属于水工建筑物，但其结构形式与桥梁有很大的相似性，采用桥梁结构有限元软件Midas进行针对性计算分析。但是，与桥梁相比，渡槽结构在结构类型及受力方面有独有的特点，其中最为突出的特点为渡槽顶部具有大量的水体，致使其整个槽身的质量是桥梁的几倍乃至十几倍，因此，针对渡槽的竖向承载能力监测分析尤为重要。开展克孜河渡槽充水试验是验证设计成果，保证渡槽运行安全的重要举措，也为其他类似工程提供了参考依据。

a 渡槽仪器现场布置

2 工程概况

克孜河渡槽位于新疆喀什地区，在总干渠分水闸下游约460 m处克孜河河床最窄，宽度约650 m处布置跨克孜河渡槽，桩号为0+500～1+240。渡槽的设计流量为87 m3/s，加大流量为100 m3/s，槽身段长为660 m，共分22跨，每跨为30 m，为“先浇后张”预应力钢筋混凝土结构，槽身横断面采用双槽式全封闭式箱型渡槽，纵坡为1/550，单孔尺寸为5.5 m×3.5 m(宽×高)，下部结构采用3根排架柱，柱顶设置盖梁，柱底位于钢筋混凝土承台上。渡槽混凝土分2次浇筑，首次满堂支架浇筑至八字墙以上25 cm，高度为155 cm，第2次采用钢模台车浇筑腹板、顶板结构。渡槽概貌如图1所示。

图1 渡槽概貌示意

3 安全监测仪器布置

克孜河渡槽为新疆喀什地区一中型渡槽，为了检验渡槽的实际承载能力储备情况，通过对渡槽某一部分展开充排水试验，模拟渡槽正常通水阶段的工作状态。本文以渡槽第7跨为监测对象，对重点关注的跨中竖向位移进行监测分析，并通过有限元计算验证监测数据。通过在跨中测点1、测点2、测点3埋设应变计、位移计监测克孜河渡槽在水荷载作用下的应力应变、挠度等变化规律，以此来评价渡槽在水荷载作用下的承载能力是否满足设计承载要求。监测仪器布置如图2所示。

4 充水试验方案

4.1 封堵方案

在渡槽第6段下游和第9段上游砌筑砖墙，高为3.0 m，确保两端的砌筑砖墙形成封堵围堰，可以满足充水试验过程中受力、防渗等要求，使渡槽第7、8两跨顺利完成充水试验，在下游封堵砖墙靠近底板的位置设2根塑料DN300的排水管，便于渡槽第7、8两跨进行排水。

4.2 充排水方案

准备工作完成后采用双槽同时充水，充水时槽内水位均匀上升。水荷载施加选用设计流量水深(2.47 m)和加大流量水深(2.63 m)2种工况为基础工况，为了能更好反应渡槽的极限工作状态，增加满槽水深(3.00 m)。本次充水试验根据水深的不同分为6级加载和卸载[7]，卸载的试验方案应与加载阶段保持一致。各级充水流量、水位、水量见表1。

表1 第七跨各级充水加载试验充水特性统计

5 安全监测成果与分析

5.1 位移计监测成果与分析

1)位移计监测成果。充水试验第7跨跨中竖向位移增量。充水至加大水深时，测点1、测点2、测点3的竖向位移均由0分别增至2.55 mm、3.12 mm、2.45 mm；满槽水深时，测点1、测点2、测点3的竖向位移均由0分别增至2.92 mm、3.54 mm、2.76 mm。每一级荷载均需保持30 min的稳荷时间，稳定时间段内实测的位移值变幅逐渐减小，且时段末连续10 min内挠度值趋于稳定，说明在稳荷时段内挠度协调变形完成，可进行下一级加载，因此，以30 min作为稳荷时间是可行且合理的。各测点的监测成果均是在稳荷时段内监测，以保证监测数据的可靠稳定性。

2)位移计监测成果分析。各梁测点的竖向位移在满槽水荷载时最大，竖向位移(挠度)变化规律符合渡槽结构变形的一般规律。充水试验测点竖向位移及线性回归拟合如图3所示。

由图3可以看出，测点1和测点3竖向位移的实测值趋势相近，测点2的竖向位移极值始终大于其他两测点，因为在理论上测点1和测点3所在的边纵梁所受水荷载相近，而测点2所在的中纵梁所受水荷载要大于边纵梁所承受的水荷载。从图3可以看出各梁各测点的位移极值变化情况以及荷载与挠度是呈现线性关系。充水试验开始至充水试验结束期间，位移计从0开始增长至最大值，然后在排水过程中平稳恢复到充水前的状态，卸去水荷载后，位移计显示归0情况正常。

图3 充水试验测点竖向位移及线性回归拟合示意

依据渡槽结构有限元计算分析，预应力作为结构本身一部分，不考虑预应力产生的上拱挠度，渡槽自重产生的竖向位移为1 mm，满槽水荷载情况下，竖向位移极值为4.75 mm[8-9]，测点2实测竖向位移极值为3.54 mm。渡槽的实测结果及有限元计算结果小于规范限值50 mm[10]，说明克孜河渡槽在水荷载作用下的抗弯强度满足设计要求。

5.2 混凝土应力应变监测成果与分析

1)混凝土应变计监测成果。充水试验第7跨跨中各测点的应变增量，随着水深的增加，各测点应变的变化规律和位移趋势相近。在满槽水深时，测点1、测点2、测点3的应变达到峰值，应变极值分别为47.19 με、60.83 με、50.10 με。各测点的监测成果均是在稳荷时段内监测，监测要点与位移计监测相同。

2)混凝土应变计监测成果分析。在施加第1级水荷载后，测点1、测点2、测点3的应变增量分别达到23.01 με、29.10 με和26.17 με，变化量达到总应变的40%～50%，在小工况下位移变化过大，因此，需要对应变0点进行修正，修正后的各测点应变0点分别为17.93、20.63、24.25[7]。对各测点水荷载和应变关系进行线性回归拟合，充水试验实测应变及线性回归拟合见图4所示。

线性拟合后，在满槽水荷载下，测点1、测点2、测点3的应变增量为29.26 με、42.20 με、25.85 με，由胡克定律可以知道各测点对应的应力增量分别为1.17 MPa、1.69 MPa、1.03 MPa。由图4可以看出随着水深的增加，应变也在增加，而且应变随水深增加基本呈线性变化，说明在加载过程直至满槽荷载，克孜河渡槽处于线弹性状态，无较大的不可恢复变形。

图4 充水试验实测应变及线性回归拟合示意

5.3 有限元计算分析

考虑渡槽与桥梁结构方面具有受力相似性[11]，采用桥梁工程结构有限元Midas软件进行计算分析，极大的简化了计算模型(如图5所示)。渡槽混凝土采用六面体八节点为主要的单元进行划分，共计103 521个单元，111 259个节点[12]。有限元模型中，坐标轴x以顺槽向为正，y以横槽向为正，z以竖直向上为正，计算取竖向位移向上为(-)，向下为(+)，网格模型通过无关化检查后满足要求。

图5 渡槽第7跨有限元网格模型示意

边界约束条件对计算结果影响较大，边界条件设置为支承结构的端部约束为一端固定，一端简支，并在槽身两端设置x向位移约束，忽略地基和支撑槽墩变形对槽身的作用，仅考虑水荷载等效为均布荷载进行模拟。作为参照，材料的边界条件设置与实体模型保持一致，以便为计算数据与试验数据作出科学对比。

槽身荷载组合包括槽身结构自重，混凝土弹性模量4.0×104N/mm2，泊松比0.167，轴心抗压强度标准值fck=32.4 MPa，抗压强度设计值fc=23.1 MPa；轴心抗拉强度标准值ftk=2.64 MPa，抗压强度设计值fk=1.89 MPa；水荷载竖向压力，因水流速度较小，按照静荷载施加；预应力荷载，弹性模量为1.95×105N/mm2，泊松比为0.25，单根钢绞线直径为15.2 mm，面积为139 mm2，抗拉强度设计值为1 395 MPa，7股钢绞线有效预压应力为15.54 t，12股每束钢绞线有效预压应力为26.64 t；人群荷载；风荷载；地震荷等，本文主要研究水荷载对渡槽承载能力的不利影响，经分析，采用满槽水荷载运行并施加预应力为控制工况，跨中应力有限元计算结果见表2所示。

表2 应力有限元计算结果 MPa

模型采用有限元分析软件Midas建立，由有限元计算结果可知，预应力水平下中梁底板空载时应力为-2.53 MPa，实测应力增量为1.69 MPa，满槽荷载下中梁底板应力仍有-0.84 MPa；边梁底板空载时应力为-1.66 MPa，实测应力增量为1.17 MPa，满槽荷载下边梁底板应力仍有-0.49 MPa，与渡槽满载情况下有限元计算结果基本吻合，从而验证了充水试验监测数据的准确性。位移从渡槽原位试验和理论计算均说明了渡槽的跨中竖向位移与应力情况均满足设计承载要求。

6 结语

本文依托克孜河渡槽，结合1次充水试验及监测结果分析，采用有限元计算结果对渡槽的承载能力进行理论说明，结合理论和实际分析，渡槽在水荷载作用下的承载能力满足设计要求，得出以下结论：

1)在本次试验中，采用位移计、应变计实测渡槽跨中的竖向位移和应力应变情况，以水工混凝土结构设计规范中的位移限值为实测数据评价指标，以Midas软件进行跨中结构的理论计算，在双重结果分析及严格质量检查下，可以更加科学的说明在水荷载作用下，渡槽的承载能力满足设计要求，为渡槽正常运行提供了安全依据。

2)依据《水工钢筋混凝土设计规范》(SL 191—2008)规定渡槽挠度的允许值为计算跨度的1/500或1/600(跨度大于10 m者)，相应挠度的允许值为50 mm。克孜河渡槽充水试验的挠度极值发生在渡槽满槽工况下，其实测值仅为3.54 mm，低于规范的允许值，全截面受压，且运行期梁底未出现拉应力，说明渡槽混凝土承载能力满足设计要求，预应力筋设置经济合理。综上分析，计算结果满足设计要求。