(1.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300； 2.安徽省七星工程測(cè)試有限公司，合肥 230088)

1 研究背景

目前，我國引江濟(jì)淮工程建設(shè)如火如荼，在平衡水資源、改善生態(tài)環(huán)境、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展等各方面具有重大戰(zhàn)略意義。渡槽結(jié)構(gòu)是大型水利工程中不可或缺的組成部分。在渡槽結(jié)構(gòu)全線通水投入使用前，通過組織充水試驗(yàn)監(jiān)測(cè)渡槽結(jié)構(gòu)在不同水位工況下的力學(xué)性能，從而評(píng)價(jià)其承載能力和安全性。

馮光偉等[1]對(duì)南水北調(diào)中線沙河大型預(yù)應(yīng)力混凝土U形渡槽開展了原型結(jié)構(gòu)充水試驗(yàn)研究，槽身為雙線4槽預(yù)應(yīng)力梁式簡支結(jié)構(gòu)，每跨30 m。槽身結(jié)構(gòu)為后張雙向C50預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。通過監(jiān)測(cè)槽體應(yīng)力應(yīng)變及結(jié)構(gòu)變形，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好。陳曉光[2]通過對(duì)南水北調(diào)中線總干渠沙河渡槽開展全段渡槽充水試驗(yàn)，沙河梁式渡槽槽身采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土U形渡槽，縱向?yàn)榭鐝?0 m簡支梁型式。對(duì)渡槽變形及應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。孫翔等[3]結(jié)合南水北調(diào)工程湍河渡槽實(shí)施了兩次充水試驗(yàn)，該渡槽槽身為3槽并列的預(yù)應(yīng)力U型結(jié)構(gòu)，每跨40 m，分析了充水試驗(yàn)期間渡槽垂直位移、混凝土鋼筋應(yīng)力、基礎(chǔ)滲壓的變化特征。張玉民[4]針對(duì)山區(qū)黔中水利樞紐徐家灣高墩預(yù)應(yīng)力變截面四跨連續(xù)剛構(gòu)疊箱渡槽進(jìn)行了充水試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)箱梁豎向位移。范乃賢[5]對(duì)南水北調(diào)中線干線工程某預(yù)應(yīng)力混凝土矩形渡槽開展兩次充水試驗(yàn)，現(xiàn)場監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)撓度、開合度、垂直位移、水平位移、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。劉濤等[6]通過現(xiàn)場充水試驗(yàn)檢驗(yàn)克孜河渡槽承載能力并評(píng)價(jià)其安全性，該渡槽采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，單跨30 m，總22跨，兩孔矩形斷面。王宇[7]針對(duì)大跨徑梁式、拱式渡槽開展了充水試驗(yàn)研究。張浩東等[8]針對(duì)南水北調(diào)中線工程湯河涵洞式渡槽進(jìn)行了多種充水試驗(yàn)方案對(duì)比研究。

渡槽性能評(píng)價(jià)通常采用現(xiàn)場充水試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證。汪興萌等[9]和鄭重陽等[10]采用三維有限元軟件針對(duì)混凝土渡槽進(jìn)行數(shù)值仿真，與現(xiàn)場質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分析評(píng)價(jià)渡槽結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及其承載能力。

綜上所述，目前對(duì)于渡槽開展的已有充水試驗(yàn)工作中，槽身大多采用混凝土材料，結(jié)構(gòu)型式多為預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁式。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)渡槽未見文獻(xiàn)報(bào)道，目前尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

淠河總干渠渡槽是引江濟(jì)淮工程中的控制性節(jié)點(diǎn)工程，與引江濟(jì)淮渠道立體交叉。渡槽分左右兩幅，總長350 m，分為進(jìn)、出口段(各52 m)、跨主河渠槽身段(246 m)三部分，其中跨主河渠槽身段為鋼渡槽，總用鋼量達(dá)到2.1萬t。鋼渡槽最大跨徑110 m，是目前世界上跨度最大的通水通航鋼結(jié)構(gòu)渡槽，也是國內(nèi)首座鋼結(jié)構(gòu)通航渡槽。

本文研究采用新材料、新工藝、新技術(shù)建成的鋼結(jié)構(gòu)桁架式梁拱組合結(jié)構(gòu)渡槽，結(jié)構(gòu)承受超大可變水荷載，通過數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場充水試驗(yàn)，對(duì)鋼渡槽進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，掌握結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，進(jìn)一步驗(yàn)證鋼渡槽設(shè)計(jì)理論，探索具有普遍意義的規(guī)律，為發(fā)展設(shè)計(jì)計(jì)算理論、完善現(xiàn)有規(guī)范積累資料。

2 鋼渡槽數(shù)值計(jì)算

2.1 鋼渡槽結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

鋼結(jié)構(gòu)渡槽采用68 m+110 m+68 m三跨桁架式梁拱組合體系，橫向采用分幅布置，兩幅間凈距為10 m，全寬58.0 m單幅水槽橫向凈寬為16 m，全寬24 m。橫斷面布置為0.4 m(護(hù)欄)+3.2 m(檢修通道)+0.4 m(護(hù)欄)+16.0 m(通水渠道)+0.4 m(護(hù)欄)+3.2 m(檢修通道)+0.4 m(護(hù)欄)，鋼渡槽為Ⅰ級(jí)水工建筑物，結(jié)構(gòu)總體布置如圖1所示。

圖1 鋼渡槽布置示意圖Fig.1 Layout of steel aqueduct

主桁主跨拱圈矢高9.1 m，矢跨比為1/12，拱肋拱軸線采用二次拋物線。主桁跨中桁高為7.2 m，在主墩支點(diǎn)處桁架高度為16.2 m，邊跨等高段桁高為7.2 m。

2.2 渡槽有限元模型

采用有限元分析軟件Midas對(duì)鋼渡槽進(jìn)行仿真分析，整體結(jié)構(gòu)模型共計(jì)3 531個(gè)節(jié)點(diǎn)、5 366個(gè)單元，采用梁單元和桁架單元，按照施工方案共計(jì)劃分27個(gè)施工階段。

2.3 荷載試驗(yàn)計(jì)算工況

鋼渡槽承受的超大可變水荷載等效為均布荷載進(jìn)行模擬。鋼結(jié)構(gòu)渡槽無成熟經(jīng)驗(yàn)可循，本次加載工況參考混凝土渡槽充水試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，共設(shè)置6級(jí)水荷載工況進(jìn)行模擬計(jì)算，詳細(xì)荷載水位如表1所示。限于篇幅，圖2僅給出4.0 m水位下上弦桿內(nèi)力和變形云圖，圖3給出了空載時(shí)結(jié)構(gòu)豎彎一階振型f1=1.635 Hz。

表1 充水分級(jí)方案

圖2 4.0 m水位下上弦桿內(nèi)力和變形云圖Fig.2 Intrnal force and deformation of the upper chord at4.0 m water level

圖3 豎彎一階振型f1=1.635 HzFig.3 First-order mode f1=1.635 Hz of vertical bending

3 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

3.1 充水分級(jí)方案

淠河總干渠最大輸水流量為165 m3/s，本次充水試驗(yàn)的最高試驗(yàn)水位按設(shè)計(jì)水位47.55 m，對(duì)應(yīng)水深4 m，現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，將充水水深加大至4.8 m，分6級(jí)加載，雙槽充水，詳細(xì)方案見表1。

3.2 鋼渡槽靜載檢測(cè)方案

為掌握新型鋼渡槽結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，開展的靜載試驗(yàn)[11-14]內(nèi)容包括：測(cè)試渡槽主桁、橫梁、波折板等構(gòu)件主要截面的應(yīng)力情況，檢驗(yàn)渡槽強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)渡槽撓度進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)整體剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到渡槽在充、排水試驗(yàn)期間的工作狀態(tài)和所受荷載會(huì)發(fā)生急劇變化，為有效反映實(shí)際情況，監(jiān)測(cè)頻次按照規(guī)范[15-16]要求進(jìn)行設(shè)定。

3.2.1 渡槽主結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

鋼渡槽充水試驗(yàn)測(cè)試斷面應(yīng)能夠滿足綜合評(píng)定渡槽結(jié)構(gòu)受力。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，充水試驗(yàn)關(guān)鍵截面主要選擇受壓最大位置桿件和受拉最大位置截面，綜合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，選擇如圖4所示支點(diǎn)1-1截面、邊跨2-2截面、拱腳3-3截面、中跨4-4截面和跨中5-5截面。以上選擇的關(guān)鍵截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置于主桁(上弦桿、下弦桿、拱弦和腹桿)、水槽底板橫梁、不同高度處的波折板、拱腳C11和節(jié)點(diǎn)C6應(yīng)力集中位置，測(cè)點(diǎn)總體布置如圖4所示(左右幅方案一致)。限于篇幅，橫梁和波折板應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖略。

圖4 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Arrangement of strain measuring points

3.2.2 主結(jié)構(gòu)變形測(cè)點(diǎn)布置方案

左右幅主結(jié)構(gòu)變形測(cè)點(diǎn)布置方案一致，其中墩頂處按節(jié)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)，其他位置間隔一個(gè)節(jié)點(diǎn)布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。拱弦按節(jié)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)。水槽底板橫梁測(cè)點(diǎn)布置同應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，橫向分布3個(gè)變形測(cè)點(diǎn)。主桁變形測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖5所示。

圖5 主桁變形測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Layout of measuring points for main truss deformation

3.3 鋼渡槽動(dòng)載檢測(cè)方案

渡槽在運(yùn)行過程中水位不同，總質(zhì)量也隨之改變，在不同水位下自振頻率也隨著質(zhì)量的改變而改變，綜合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，隨著水位的升高，渡槽的自振頻率會(huì)降低。在充水試驗(yàn)過程中將測(cè)試不同水位工況時(shí)渡槽的自振頻率。

圖7 部分載面各級(jí)水荷載下應(yīng)力測(cè)點(diǎn)回歸曲線Fig.7 Regression curves of stress measurement under various water loads

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，為了測(cè)試三階豎彎振型，采取在邊跨和中跨測(cè)點(diǎn)按四分點(diǎn)布置的方案，測(cè)試時(shí)測(cè)點(diǎn)只布置單側(cè)上弦桿，全橋共布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體布置如圖6所示。

圖6 半幅拾振器布置Fig.6 Arrangement of vibration picker

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為全面掌握新型鋼渡槽結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，充水試驗(yàn)過程中記錄了鋼渡槽結(jié)構(gòu)各斷面測(cè)點(diǎn)的靜力應(yīng)變和位移，同時(shí)測(cè)試了不同水位下的結(jié)構(gòu)基頻。

4.1 結(jié)構(gòu)靜載應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

充水試驗(yàn)過程中記錄各斷面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，本節(jié)給出各級(jí)水位加載下、圖4中主桁右幅中支點(diǎn)上弦桿3-1、中墩拱弦3-10、跨中上弦桿5-1和跨中下弦桿5-3截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)趨勢(shì)曲線和回歸曲線，并進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，右幅3-1、3-10、5-1和5-3截面測(cè)點(diǎn)，隨著加載水位的增加，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力大小同步增加，實(shí)測(cè)應(yīng)力與水荷載線性相關(guān)系數(shù)為0.966 1～0.994 8，表明荷載與應(yīng)力呈顯著的線性關(guān)系，反映了在水荷載作用下渡槽均處于彈性狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。

在加載水位不斷增加過程中，各工況主桁右幅3-1和5-1截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與數(shù)值解的對(duì)比見表2。從表2可以看出，隨著水位的增加，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與數(shù)值解的比值介于29.30%～95.52%，鋼結(jié)構(gòu)渡槽的應(yīng)力具備良好的安全儲(chǔ)備。

表2 主跨弦桿應(yīng)力實(shí)測(cè)值與數(shù)值解對(duì)比

4.2 結(jié)構(gòu)靜載變形測(cè)試結(jié)果

充水試驗(yàn)過程中記錄結(jié)構(gòu)變形，本節(jié)給出各級(jí)水位加載下圖6中主桁上弦桿左幅左側(cè)(I軸)、左幅右側(cè)(II軸)、右幅左側(cè)(III軸)、右幅右側(cè)(IV軸)測(cè)點(diǎn)變形實(shí)測(cè)趨勢(shì)曲線，如圖8所示，其中A6-1、A6′-1等橫坐標(biāo)表示雙幅對(duì)稱節(jié)點(diǎn)編號(hào)及測(cè)點(diǎn)編號(hào)。

圖8 各級(jí)水荷載下上弦桿撓度測(cè)點(diǎn)變形曲線Fig.8 Deformation curves of deflection measurement points under various water loads

由圖8可以看出，隨著加載水位的增加，各測(cè)點(diǎn)撓度同步增加。同時(shí)，各級(jí)水位加載過程中，結(jié)構(gòu)變形具有良好的對(duì)稱性。

結(jié)構(gòu)變形控制主要以邊跨跨中和中跨跨中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，A4和A20節(jié)點(diǎn)上弦桿變形實(shí)測(cè)撓度值如圖9所示。從圖9中可以看出荷載與變形呈顯著的線性關(guān)系，反映了在水荷載作用下渡槽處于彈性狀態(tài)。

圖9 部分節(jié)點(diǎn)各級(jí)水荷載下實(shí)測(cè)撓度Fig.9 Measured deflection at dome points under variouswater loads

主跨跨中A20測(cè)點(diǎn)的撓度實(shí)測(cè)數(shù)值和數(shù)值計(jì)算值的比較，詳見表3。

表3 主跨上弦桿跨中撓度

由表3可知，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)變形均小于數(shù)值解，中跨跨中A20節(jié)點(diǎn)最大變形為數(shù)值解的77%，說明新型鋼渡槽組合體系靜力力學(xué)性能良好。

4.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)載測(cè)試結(jié)果

為全面評(píng)價(jià)新型鋼渡槽結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，通過脈動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)了結(jié)構(gòu)在不同水位下結(jié)構(gòu)的自振頻率，本節(jié)僅給出結(jié)構(gòu)在加載至4.0、4.4、4.8 m水深下的實(shí)測(cè)頻率指標(biāo)，見表4。

表4 不同水深工況下實(shí)測(cè)頻率

由表4可知，渡槽在不同的水位作用下，模態(tài)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，但每級(jí)加載后的固有頻率實(shí)測(cè)值均小于數(shù)值解，說明鋼渡槽實(shí)際剛度良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

本文依托引江濟(jì)淮工程淠河總干渠渡槽工程，針對(duì)世界最大跨度新型鋼渡槽結(jié)構(gòu)，結(jié)合充水試驗(yàn)，對(duì)組合體系結(jié)構(gòu)渡槽的應(yīng)力、變形和動(dòng)力性能進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)分析了充實(shí)試驗(yàn)過程中各監(jiān)測(cè)指標(biāo)隨水位變化的規(guī)律，并與數(shù)值計(jì)算相互驗(yàn)證，結(jié)果表明鋼渡槽力學(xué)性能良好，渡槽處于安全狀態(tài)，為渡槽的全線通水提供了技術(shù)依據(jù)。

本文對(duì)跨運(yùn)河鋼桁架梁拱組合體系通航渡槽力學(xué)性能的研究，一方面將傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)渡槽拓展到鋼結(jié)構(gòu)渡槽，另一方面安全且美觀的新型結(jié)構(gòu)體系的運(yùn)用豐富了渡槽設(shè)計(jì)思路?？蔀槟纤闭{(diào)、引江濟(jì)淮重大水利工程中類似項(xiàng)目提供技術(shù)參考。