某大跨徑渡槽充水試驗撓度數值模擬及實測數據分析

孫宇航

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230022）

1 工程概況

渡槽位于引江濟淮工程（安徽段）75+143 處，設計流量18.0m3/s，加大流量23.2m3/s，輸水方式為無壓流和有壓流。交匯處相應渠道設計水深和加大水深為2.8m 和3.0m。交匯處位于舒廬干渠廬江縣段（全長42km，以兩縣分界處為樁號起點）的樁號為28+800 附近。支撐結構為3 跨預應力梁橋結構。承重結構為預應力混凝土連續梁，橋式渡槽為（65+120+65）m 變截面預應力混凝土連續梁結構，橋寬9.2m，主梁梁高按1.8 次拋物線變化。槽身為單箱結構水槽，寬7.2m，高4.1m，槽身過水斷面凈寬為6m，側墻厚60cm，底板厚40cm，頂板厚50cm，采用鋼筋混凝土結構，槽身沿軸線方向12.5m 分縫，縫內設止水。

2 試驗工況及關鍵界面設置

為防止渡槽加載初期和卸載初期的荷載變化較大，從而影響監測數據的準確性，充、排水時均分級進行加載、卸載。為加快充水試驗進度，當數據穩定在3h 內無變化即可進行下一級加/卸載。試驗共分三級加載三級卸載，1 級加載至設計水位2.25m，為控制加載速度，加載至1.2m，靜停監測待數據穩定后加載至2.25m；2 級加載水位至2.71m；3 級加載水位至3.2m；1 級卸載至2.71m；2 級卸載至設計水位2.25m；3 級卸載完成。

考慮到支撐結構與槽身采用半剛性材料相接，在支撐結構及槽體均布設監測點支撐結構邊跨采用4 分點，中跨采用8 分點法；槽體每跨采用4 分點法，見圖1、圖2。

圖1 槽體變形測點布置圖（cm）

圖2 渡槽支撐結構變形測點布置圖（cm）

3 理論計算

該項目采用有限元分析軟件對舒廬干渠渡槽充水試驗全過程進行仿真分析，整體支撐結構采用梁單元進行模擬，渡槽上部結構共計170 個節點、232個單元，計算模型如下圖所示。

根據設計文件要求，渡槽充水試驗工況分為三級，第一級為水深2.25m，第二級為水深2.71m，第三級為水深3.2m，如圖3～圖5 所示。2.25m 水深荷載取值為131.4kN/m，2.71m 水深荷載取值為158.5kN/m，3.2m 水深荷載取值為186.4kN/m。

圖3 設計水位2.25m 位移圖

圖4 加深水位2.71m 位移圖

圖5 滿槽水位3.2m 位移圖

4 數據分析

各加載及排水工況撓度實測與理論計算對比見表1。

表1 各加載及排水工況撓度實測與理論計算對比表（mm）

參考《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/TJ21-01-2015）關于荷載試驗的相關規定，此次充水試驗數據處理包括結構各參數（變形、撓度、應力等）的校驗系數、殘余變形/應變等內容。

（1）校驗系數是評定結構工作狀況，確定結構承載能力的一個重要性指標，不同結構形式的校驗系數也不同。其計算公式如下：

式中：Se—試驗荷載作用下量測的彈性變形（或應變）值；

Ss—試驗荷載作用下的理論計算變形（或應變）值。

一般情況下，校驗系數小于1，但也不宜過大或過小。當檢驗系數大于1 時，應查明原因，若無明顯疑問可判定橋梁承載能力不滿足要求。

（2）相對殘余變形（或變位/應變）是描述結構整體或局部進行塑性工作狀態的程度。相對殘余計算公式如下：

式中：S'P— 相對殘余變形（或應變）；

SP—殘余變形（或應變）；

St—總變形（或應變）。

相對殘余變形越小，說明結構越接近彈性工作狀況，恢復能力越強，一般情況下，殘余變位不大于20%，當大于20%時，應查明原因，或判定橋梁承載能力不滿足要求。

5 結論

從支撐結構和槽體每級加載變形數據分析可知，各級加載實測數據與理論數據變化趨勢一致。兩邊跨從跨中至墩頂位置各級變形趨勢向上，且變形量值較小，考慮到測量誤差，對邊跨變形是對趨勢判斷，不進行具體評價。

支撐結構第二跨JD1-F6、JD1-F7 和JD1-F8 各級加載變形決定系數R2均大于0.96，接近于1，說明各點各級加載間擬合度好，成線性關系；槽體第二跨JD2-D4、JD2-D5 和JD2-D6 各級加載變形決定系數R2均大于0.99，接近于1，說明各點各級加載間擬合度好，成線性關系。

從支撐結構第二跨變形數據分析評定和槽體第二跨數據分析評定可知，支撐結構變形校驗系數在0.79～0.87 之間，說明實測彈性變形與理論變形吻合度好，且結構具有一定的安全儲備；支撐結構相對殘余變形在3.57%～7.26%之間，說明支撐結構彈性恢復能力好。槽體第二跨變形校驗系數在0.81～0.88之間，說明實測彈性變形與理論變形吻合度好，且結構具有一定的安全儲備；槽體相對殘余變形在2.85%～7.81%之間，說明槽體彈性恢復能力好。

綜上所述，支撐結構和槽體剛度滿足設計要求，支撐結構和槽體均處于彈性工作狀態