某大跨径渡槽充水试验挠度数值模拟及实测数据分析

孙宇航

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230022）

1 工程概况

渡槽位于引江济淮工程（安徽段）75+143 处，设计流量18.0m3/s，加大流量23.2m3/s，输水方式为无压流和有压流。交汇处相应渠道设计水深和加大水深为2.8m 和3.0m。交汇处位于舒庐干渠庐江县段（全长42km，以两县分界处为桩号起点）的桩号为28+800 附近。支撑结构为3 跨预应力梁桥结构。承重结构为预应力混凝土连续梁，桥式渡槽为（65+120+65）m 变截面预应力混凝土连续梁结构，桥宽9.2m，主梁梁高按1.8 次抛物线变化。槽身为单箱结构水槽，宽7.2m，高4.1m，槽身过水断面净宽为6m，侧墙厚60cm，底板厚40cm，顶板厚50cm，采用钢筋混凝土结构，槽身沿轴线方向12.5m 分缝，缝内设止水。

2 试验工况及关键界面设置

为防止渡槽加载初期和卸载初期的荷载变化较大，从而影响监测数据的准确性，充、排水时均分级进行加载、卸载。为加快充水试验进度，当数据稳定在3h 内无变化即可进行下一级加/卸载。试验共分三级加载三级卸载，1 级加载至设计水位2.25m，为控制加载速度，加载至1.2m，静停监测待数据稳定后加载至2.25m；2 级加载水位至2.71m；3 级加载水位至3.2m；1 级卸载至2.71m；2 级卸载至设计水位2.25m；3 级卸载完成。

考虑到支撑结构与槽身采用半刚性材料相接，在支撑结构及槽体均布设监测点支撑结构边跨采用4 分点，中跨采用8 分点法；槽体每跨采用4 分点法，见图1、图2。

图1 槽体变形测点布置图（cm）

图2 渡槽支撑结构变形测点布置图（cm）

3 理论计算

该项目采用有限元分析软件对舒庐干渠渡槽充水试验全过程进行仿真分析，整体支撑结构采用梁单元进行模拟，渡槽上部结构共计170 个节点、232个单元，计算模型如下图所示。

根据设计文件要求，渡槽充水试验工况分为三级，第一级为水深2.25m，第二级为水深2.71m，第三级为水深3.2m，如图3～图5 所示。2.25m 水深荷载取值为131.4kN/m，2.71m 水深荷载取值为158.5kN/m，3.2m 水深荷载取值为186.4kN/m。

图3 设计水位2.25m 位移图

图4 加深水位2.71m 位移图

图5 满槽水位3.2m 位移图

4 数据分析

各加载及排水工况挠度实测与理论计算对比见表1。

表1 各加载及排水工况挠度实测与理论计算对比表（mm）

参考《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/TJ21-01-2015）关于荷载试验的相关规定，此次充水试验数据处理包括结构各参数（变形、挠度、应力等）的校验系数、残余变形/应变等内容。

（1）校验系数是评定结构工作状况，确定结构承载能力的一个重要性指标，不同结构形式的校验系数也不同。其计算公式如下：

式中：Se—试验荷载作用下量测的弹性变形（或应变）值；

Ss—试验荷载作用下的理论计算变形（或应变）值。

一般情况下，校验系数小于1，但也不宜过大或过小。当检验系数大于1 时，应查明原因，若无明显疑问可判定桥梁承载能力不满足要求。

（2）相对残余变形（或变位/应变）是描述结构整体或局部进行塑性工作状态的程度。相对残余计算公式如下：

式中：S'P— 相对残余变形（或应变）；

SP—残余变形（或应变）；

St—总变形（或应变）。

相对残余变形越小，说明结构越接近弹性工作状况，恢复能力越强，一般情况下，残余变位不大于20%，当大于20%时，应查明原因，或判定桥梁承载能力不满足要求。

5 结论

从支撑结构和槽体每级加载变形数据分析可知，各级加载实测数据与理论数据变化趋势一致。两边跨从跨中至墩顶位置各级变形趋势向上，且变形量值较小，考虑到测量误差，对边跨变形是对趋势判断，不进行具体评价。

支撑结构第二跨JD1-F6、JD1-F7 和JD1-F8 各级加载变形决定系数R2均大于0.96，接近于1，说明各点各级加载间拟合度好，成线性关系；槽体第二跨JD2-D4、JD2-D5 和JD2-D6 各级加载变形决定系数R2均大于0.99，接近于1，说明各点各级加载间拟合度好，成线性关系。

从支撑结构第二跨变形数据分析评定和槽体第二跨数据分析评定可知，支撑结构变形校验系数在0.79～0.87 之间，说明实测弹性变形与理论变形吻合度好，且结构具有一定的安全储备；支撑结构相对残余变形在3.57%～7.26%之间，说明支撑结构弹性恢复能力好。槽体第二跨变形校验系数在0.81～0.88之间，说明实测弹性变形与理论变形吻合度好，且结构具有一定的安全储备；槽体相对残余变形在2.85%～7.81%之间，说明槽体弹性恢复能力好。

综上所述，支撑结构和槽体刚度满足设计要求，支撑结构和槽体均处于弹性工作状态