黎 璟

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州市 310023)

淘金河渡槽是南水北調(diào)東線工程膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程中的關(guān)鍵性水工結(jié)構(gòu)。排架之上的槽身與槽體內(nèi)水體質(zhì)量大，地震作用時(shí)會(huì)對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生不利影響，因此南水北調(diào)工程中渡槽的抗震問題比較突出。目前國外新建渡槽數(shù)目較少，相關(guān)的研究文獻(xiàn)資料主要針對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)的選型、結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)、體型優(yōu)化設(shè)計(jì)以及渡槽防滲修復(fù)等方面，而與渡槽模型進(jìn)行抗震動(dòng)力分析與計(jì)算方面相關(guān)的文獻(xiàn)資料比較缺乏。

1 數(shù)值分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

淘金河渡槽上承式拉桿拱由兩榀鋼筋混凝土拱肋、預(yù)應(yīng)力混凝土拉桿、吊桿及拱上排架組成，拱肋軸線為二次拋物線，其方程為

圖1 拉桿渡槽模型(單位：m)

(1)

式中：f—矢高，10.50m；

l—拱跨度，47.00m。

矢跨比1∶4.48，模型結(jié)構(gòu)見圖1。

渡槽各組成部分結(jié)構(gòu)的數(shù)量及參數(shù)見表1：

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.2 計(jì)算方法

預(yù)應(yīng)力混凝土拉桿拱結(jié)構(gòu)為高次超靜定結(jié)構(gòu)，所有連接均為剛性連接或共節(jié)點(diǎn)連接。數(shù)值模擬采用有限元分析軟件Midas/Civil 2015進(jìn)行。拉桿、主拱、排架、肋間支撐、鋼管橫系桿均采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用桁架單元模擬。地震加速度時(shí)程曲線的輸入，依據(jù)地質(zhì)報(bào)告，使地震動(dòng)的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間符合規(guī)定。考慮E1地震作用(工程場(chǎng)地重現(xiàn)期較短的地震作用，對(duì)應(yīng)于第一級(jí)設(shè)防水準(zhǔn))，結(jié)構(gòu)在線彈性范圍內(nèi)，基本不發(fā)生損傷。拱腳邊界條件采用一般支承。

1.3 荷載及組合

荷載計(jì)算依據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5077-1997)，荷載組合依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)，共進(jìn)行了8種荷載組合工況下的計(jì)算，并進(jìn)行了承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。各種荷載針對(duì)不同的設(shè)計(jì)工況取不同的分項(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)，荷載組合如表2：

表2 荷載組合

2 結(jié)果分析

2.1 拱肋承載能力極限狀態(tài)

(1)受拉承載能力分析

不同荷載組合工況下，上承式拉桿拱渡槽結(jié)構(gòu)各部分的變形和應(yīng)力狀態(tài)區(qū)別較大。組合3工況下，風(fēng)荷載對(duì)空槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的橫向變形和拉應(yīng)力。組合3工況下拱肋I的1/8截面位置產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力σtmax=1.82MPa；拱肋II在各荷載組合下，均不產(chǎn)生拉應(yīng)力。

由上述計(jì)算分析可知，在未完成預(yù)應(yīng)力的張拉時(shí)，如遭遇風(fēng)荷載，拱肋會(huì)產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)不利的拉應(yīng)力。

(2)受壓承載能力分析

由計(jì)算可知，上承式拉桿拱渡槽結(jié)構(gòu)所受的最大壓應(yīng)力均小于混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。組合2工況下，拱肋I、II的1/8截面即1-1、2-2截面產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力σcmax=17.85MPa。

2.2 拱肋正常使用極限狀態(tài)

(1)裂縫寬度分析

鋼筋混凝土構(gòu)件，在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度，按作用(或荷載)短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)影響進(jìn)行驗(yàn)算。在距拱腳水平距離3.32m處拱肋有最大裂縫寬度W=0.18mm，小于鋼筋混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度限值Wtk=0.2mm。

(2)撓度分析

圖2 拱肋撓度圖

2.3 拉桿側(cè)向位移和吊桿內(nèi)力

通過對(duì)各種荷載組合下的拉桿拱渡槽計(jì)算可知，拉桿I、II在組合1下產(chǎn)生最大負(fù)向位移，分別為14mm與13mm；拉桿I、II在組合2下產(chǎn)生最大正向位移分別為10mm與11mm。

吊桿在單個(gè)荷載及荷載組合作用下，內(nèi)力如表3。

表3 拉桿內(nèi)力(kN)

由表3，在預(yù)應(yīng)力、滿槽水重及風(fēng)荷載作用下均有吊桿產(chǎn)生壓力；且位于順橋向吊桿4兩側(cè)對(duì)稱位置的吊桿所受內(nèi)力基本相同，其中位于拱肋1/4處的吊桿2承受最大的拉力σtmax=81.8MPa。

2.4 地震響應(yīng)分析

(1)橫槽向地震激勵(lì)

在橫槽向地震反應(yīng)譜作用下的渡槽模型在空槽和滿槽情況下的變形，如圖3、圖4所示。

圖3 橫槽向地震作用下空槽模型的變形(單位：mm)

圖4 橫槽向地震作用下滿槽模型的變形(單位：mm)

由圖3、圖4可以看出，在橫槽向地震激勵(lì)條件下，渡槽空槽和滿槽模型均發(fā)生了沿Z方向正對(duì)稱變形，滿槽情況下拱肋變形顯著大于空槽情況下，拱肋變形的最大值位于主拱圈拱頂，空槽模型和滿槽模型槽身豎向變形的最大值分別為5.55mm和-16.96mm。

主拱圈結(jié)構(gòu)在空槽和滿槽情況下的位移值如表4所示。

表4 主拱圈控制截面位移值(單位：mm)

從表4中數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，在橫槽向地震激勵(lì)作用下，渡槽主拱圈截面的位移響應(yīng)規(guī)律為：沿橫槽向(Y)的位移最大，豎向(Z)的位移次之，順槽向(X)的位移最小；主拱圈截面的位移值從拱腳至拱頂呈逐漸增大趨勢(shì)。一方面說明了該渡槽結(jié)構(gòu)的橫向剛度較小，同時(shí)也體現(xiàn)了橫橋向地震激勵(lì)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)橫橋向(Y)與豎向(Z)產(chǎn)生較大影響。

從表4中數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，滿槽情況下的各向位移響應(yīng)較空槽時(shí)大，順槽向(X)位移基本不變，橫槽向(Y)在拱頂和1/4拱處位移分別增大了2.03mm和1.81mm；豎向(Z)在拱頂和1/4拱處位移分別增大了4.09mm和1.81mm。說明在橫橋向地震作用下，水體降低了渡槽的整體剛度，位移響應(yīng)得到增大，而對(duì)順橋向剛度影響不大。

(2)順橋向地震激勵(lì)

在順橋向地震反應(yīng)譜作用下的渡槽模型在空槽和滿槽情況下的變形圖如圖5和圖6所示。

圖5 順槽向地震作用下空槽模型的變形(單位：mm)

圖6 順槽向地震作用下過水模型的變形(單位：mm)

由圖5和圖6可以看出，在順槽向地震激勵(lì)條件下，渡槽空槽和滿槽模型均發(fā)生了沿方向正對(duì)稱變形，滿槽情況下模型的變形顯著大于空槽情況下，變形的最大值位于主拱圈拱頂對(duì)應(yīng)的槽身位置，空槽模型和滿槽模型變形的最大值分別為6.25mm和-16.04mm。

主拱圈結(jié)構(gòu)在空槽和滿槽情況下的位移值如表5所示：

表5 主拱圈關(guān)鍵截面位移值(單位：mm)

從表5中數(shù)據(jù)縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯觯陧槻巯虻卣鸺?lì)作用下，渡槽主拱圈截面的位移響應(yīng)規(guī)律為：沿橫槽向(Y)的位移最大，豎向(Z)的位移次之，順槽向(X)的位移最??；主拱圈截面的位移值從拱腳至拱頂呈逐漸增大趨勢(shì)。一方面說明了該渡槽結(jié)構(gòu)的橫向剛度較小，同時(shí)也體現(xiàn)了順橋向地震激勵(lì)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)橫橋向(Y)與豎向(Z)產(chǎn)生較大影響。

從表5中數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，滿槽情況下的各向位移響應(yīng)較空槽時(shí)大，橫槽向(Y)位移基本不變，順槽向(X)在拱頂和1/4拱處位移分別增大了2.7mm和1.53mm；豎向(Z)在拱頂和1/4拱處位移分別增大了3.93mm和1.81mm。說明在順橋向地震作用下，水體降低了渡槽的整體剛度，位移響應(yīng)得到增大，而對(duì)橫向剛度影響不大。

3 渡槽結(jié)構(gòu)原位監(jiān)測(cè)分析

渡槽觀測(cè)設(shè)施包括水平位移觀測(cè)和垂直位移觀測(cè)，水平位移觀測(cè)和垂直位移觀測(cè)共用同一個(gè)標(biāo)點(diǎn)和基點(diǎn)。通過原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真模擬結(jié)果對(duì)比分析，校核仿真計(jì)算結(jié)果。

3.1 張拉過程側(cè)向變位分析

第一跨拱的張拉順序見圖7，張拉應(yīng)力控制見表6。

表6 第一跨南拉桿分步、分級(jí)張拉過程南北拉桿側(cè)向變位(單位：mm)

第一跨張拉完畢，測(cè)得拉桿沿縱向位移收縮值：

南拉桿：4+13=17mm

北拉桿：5+10=15mm

第一跨拉桿拱張拉完畢，拉桿縱向變位在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果，南拉桿與北拉桿精度分別為82.35%與86.67%，兩者基本吻合。

3.2 第一跨拱肋應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

(1)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

在第一跨拱肋的拱腳、1/4拱肋、1/2拱肋每處上、下部位各粘貼一片應(yīng)變片，量測(cè)施工過程中拱肋各部位的應(yīng)力變化。

圖7 拱肋各特征部位應(yīng)變片位置

(2)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果見表7、圖8～圖11。

通過現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析得出如下結(jié)論：

(1)結(jié)構(gòu)自重+渡槽滿水+地震荷載(順橋向)+風(fēng)荷載是最為危險(xiǎn)工況，該工況下拉桿、拱肋的最大豎向位移分別達(dá)到-17.972mm、-17.893mm，分別是無地震時(shí)6.5倍、7.5倍。另外渡槽設(shè)計(jì)在水力條件及過水能力滿足要求的條件下，應(yīng)盡可能減小排架的高度，這不僅是減小工程量和投資的要求，而且是非正常狀態(tài)下渡槽安全運(yùn)營(yíng)的需要。

表7 各應(yīng)變片應(yīng)變?cè)隽坷塾?jì)

圖8 1#、2#應(yīng)變片累計(jì)變化

圖9 3#、4#應(yīng)變片累計(jì)變化

圖10 5#、6#應(yīng)變片累計(jì)變化

圖11 7#、8#應(yīng)變片累計(jì)變化

(2)拉桿、拱肋的預(yù)應(yīng)力張拉和施工工序、施工進(jìn)度是一對(duì)矛盾，就整體結(jié)構(gòu)受力和變形最優(yōu)而言，當(dāng)然是整跨渡槽的下部拱體全部澆注完畢并在混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求再行張拉，所引起的拉桿、拱肋變形最小。實(shí)際施工時(shí)這是很難做到的，但拉桿的張拉必須在橫撐(最好包括斜撐澆注完畢后)再行張拉，拱肋的張拉也應(yīng)如此，這樣可減小拉桿、拱肋的豎向或側(cè)向變形。

(3)三維物理模型試驗(yàn)、原位測(cè)試、數(shù)值計(jì)算結(jié)合起來對(duì)新型大跨度渡槽結(jié)構(gòu)研究是保證結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效手段，排架-渡槽-水三維耦合體系的地震響應(yīng)不同于一般的橋梁結(jié)構(gòu)，無論是國內(nèi)還是國外，關(guān)于這方面的研究還比較欠缺，還應(yīng)進(jìn)行更進(jìn)一步的深入探索。

4 結(jié)語

(1)渡槽在未完成預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，如遭遇風(fēng)荷載，拱肋拱腳部位會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力σtmax=1.82MPa，此為不利工況。

(2)渡槽在橫橋向與順橋向地震激勵(lì)下，橫橋向均發(fā)生較大的位移，說明渡槽的橫向剛度較低，在地震作用時(shí)橫向穩(wěn)定問題較為突出；結(jié)構(gòu)在滿槽時(shí)的地震響應(yīng)明顯強(qiáng)于空槽結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，說明水體作用顯著降低了渡槽結(jié)構(gòu)的自振頻率，使得結(jié)構(gòu)的整體剛度得到了降低，因此在抗震分析時(shí)需著重考慮水體作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能。