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    跨运河钢桁架梁拱组合体系通航渡槽力学性能

    时间：2023-06-29 14:45:07来源：百花范文网本文已影响人

    (1.中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300；

    2.安徽省七星工程测试有限公司，合肥 230088)

    目前，我国引江济淮工程建设如火如荼，在平衡水资源、改善生态环境、推动经济高质量发展等各方面具有重大战略意义。渡槽结构是大型水利工程中不可或缺的组成部分。在渡槽结构全线通水投入使用前，通过组织充水试验监测渡槽结构在不同水位工况下的力学性能，从而评价其承载能力和安全性。

    冯光伟等[1]对南水北调中线沙河大型预应力混凝土U形渡槽开展了原型结构充水试验研究，槽身为双线4槽预应力梁式简支结构，每跨30 m。槽身结构为后张双向C50预应力混凝土结构。通过监测槽体应力应变及结构变形，与数值计算结果吻合较好。陈晓光[2]通过对南水北调中线总干渠沙河渡槽开展全段渡槽充水试验，沙河梁式渡槽槽身采用C50预应力混凝土U形渡槽，纵向为跨径30 m简支梁型式。对渡槽变形及应力应变进行全面监测。孙翔等[3]结合南水北调工程湍河渡槽实施了两次充水试验，该渡槽槽身为3槽并列的预应力U型结构，每跨40 m，分析了充水试验期间渡槽垂直位移、混凝土钢筋应力、基础渗压的变化特征。张玉民[4]针对山区黔中水利枢纽徐家湾高墩预应力变截面四跨连续刚构叠箱渡槽进行了充水试验，监测箱梁竖向位移。范乃贤[5]对南水北调中线干线工程某预应力混凝土矩形渡槽开展两次充水试验，现场监测结构挠度、开合度、垂直位移、水平位移、应力应变数据。刘涛等[6]通过现场充水试验检验克孜河渡槽承载能力并评价其安全性，该渡槽采用C50预应力混凝土结构，单跨30 m，总22跨，两孔矩形断面。王宇[7]针对大跨径梁式、拱式渡槽开展了充水试验研究。张浩东等[8]针对南水北调中线工程汤河涵洞式渡槽进行了多种充水试验方案对比研究。

    渡槽性能评价通常采用现场充水试验与数值计算结果相互验证。汪兴萌等[9]和郑重阳等[10]采用三维有限元软件针对混凝土渡槽进行数值仿真，与现场质量检测结果进行比对，分析评价渡槽结构的力学性能及其承载能力。

    综上所述，目前对于渡槽开展的已有充水试验工作中，槽身大多采用混凝土材料，结构型式多为预应力混凝土箱型梁式。对于钢结构渡槽未见文献报道，目前尚无成熟经验可供借鉴。

    淠河总干渠渡槽是引江济淮工程中的控制性节点工程，与引江济淮渠道立体交叉。渡槽分左右两幅，总长350 m，分为进、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为钢渡槽，总用钢量达到2.1万t。钢渡槽最大跨径110 m，是目前世界上跨度最大的通水通航钢结构渡槽，也是国内首座钢结构通航渡槽。

    本文研究采用新材料、新工艺、新技术建成的钢结构桁架式梁拱组合结构渡槽，结构承受超大可变水荷载，通过数值计算和现场充水试验，对钢渡槽进行静动载试验，掌握结构的力学性能，进一步验证钢渡槽设计理论，探索具有普遍意义的规律，为发展设计计算理论、完善现有规范积累资料。

    2.1 钢渡槽结构主要参数

    钢结构渡槽采用68 m+110 m+68 m三跨桁架式梁拱组合体系，横向采用分幅布置，两幅间净距为10 m，全宽58.0 m单幅水槽横向净宽为16 m，全宽24 m。横断面布置为0.4 m(护栏)+3.2 m(检修通道)+0.4 m(护栏)+16.0 m(通水渠道)+0.4 m(护栏)+3.2 m(检修通道)+0.4 m(护栏)，钢渡槽为Ⅰ级水工建筑物，结构总体布置如图1所示。

    图1 钢渡槽布置示意图Fig.1 Layout of steel aqueduct

    主桁主跨拱圈矢高9.1 m，矢跨比为1/12，拱肋拱轴线采用二次抛物线。主桁跨中桁高为7.2 m，在主墩支点处桁架高度为16.2 m，边跨等高段桁高为7.2 m。

    2.2 渡槽有限元模型

    采用有限元分析软件Midas对钢渡槽进行仿真分析，整体结构模型共计3 531个节点、5 366个单元，采用梁单元和桁架单元，按照施工方案共计划分27个施工阶段。

    2.3 荷载试验计算工况

    钢渡槽承受的超大可变水荷载等效为均布荷载进行模拟。钢结构渡槽无成熟经验可循，本次加载工况参考混凝土渡槽充水试验进行设计，共设置6级水荷载工况进行模拟计算，详细荷载水位如表1所示。限于篇幅，图2仅给出4.0 m水位下上弦杆内力和变形云图，图3给出了空载时结构竖弯一阶振型f1=1.635 Hz。

    表1 充水分级方案

    图2 4.0 m水位下上弦杆内力和变形云图Fig.2 Intrnal force and deformation of the upper chord at4.0 m water level

    图3 竖弯一阶振型f1=1.635 HzFig.3 First-order mode f1=1.635 Hz of vertical bending

    3.1 充水分级方案

    淠河总干渠最大输水流量为165 m3/s，本次充水试验的最高试验水位按设计水位47.55 m，对应水深4 m，现场试验时，将充水水深加大至4.8 m，分6级加载，双槽充水，详细方案见表1。

    3.2 钢渡槽静载检测方案

    为掌握新型钢渡槽结构的力学性能，开展的静载试验[11-14]内容包括：测试渡槽主桁、横梁、波折板等构件主要截面的应力情况，检验渡槽强度是否满足设计要求。对渡槽挠度进行测试，检验整体刚度是否满足设计要求。考虑到渡槽在充、排水试验期间的工作状态和所受荷载会发生急剧变化，为有效反映实际情况，监测频次按照规范[15-16]要求进行设定。

    3.2.1 渡槽主结构应变测点布置

    钢渡槽充水试验测试断面应能够满足综合评定渡槽结构受力。根据结构受力特点，充水试验关键截面主要选择受压最大位置杆件和受拉最大位置截面，综合数值计算结果，选择如图4所示支点1-1截面、边跨2-2截面、拱脚3-3截面、中跨4-4截面和跨中5-5截面。以上选择的关键截面应变测点布置于主桁(上弦杆、下弦杆、拱弦和腹杆)、水槽底板横梁、不同高度处的波折板、拱脚C11和节点C6应力集中位置，测点总体布置如图4所示(左右幅方案一致)。限于篇幅，横梁和波折板应变测点布置图略。

    图4 应变测点布置Fig.4 Arrangement of strain measuring points

    3.2.2 主结构变形测点布置方案

    左右幅主结构变形测点布置方案一致，其中墩顶处按节点布置测点，其他位置间隔一个节点布置一个测点。拱弦按节点布置测点。水槽底板横梁测点布置同应变测点，横向分布3个变形测点。主桁变形测点布置示意图如图5所示。

    图5 主桁变形测点布置Fig.5 Layout of measuring points for main truss deformation

    3.3 钢渡槽动载检测方案

    渡槽在运行过程中水位不同，总质量也随之改变，在不同水位下自振频率也随着质量的改变而改变，综合数值计算结果，随着水位的升高，渡槽的自振频率会降低。在充水试验过程中将测试不同水位工况时渡槽的自振频率。

    图7 部分载面各级水荷载下应力测点回归曲线Fig.7 Regression curves of stress measurement under various water loads

    根据数值分析结果，为了测试三阶竖弯振型，采取在边跨和中跨测点按四分点布置的方案，测试时测点只布置单侧上弦杆，全桥共布置9个测点，具体布置如图6所示。

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

    为全面掌握新型钢渡槽结构力学性能，充水试验过程中记录了钢渡槽结构各断面测点的静力应变和位移，同时测试了不同水位下的结构基频。

    4.1 结构静载应力测试结果

    充水试验过程中记录各断面测点的应变，本节给出各级水位加载下、图4中主桁右幅中支点上弦杆3-1、中墩拱弦3-10、跨中上弦杆5-1和跨中下弦杆5-3截面测点应力实测趋势曲线和回归曲线，并进行了相关性分析，结果如图7所示。

    由图7可以看出，右幅3-1、3-10、5-1和5-3截面测点，随着加载水位的增加，各测点应力大小同步增加，实测应力与水荷载线性相关系数为0.966 1～0.994 8，表明荷载与应力呈显著的线性关系，反映了在水荷载作用下渡槽均处于弹性状态，满足设计要求。

    在加载水位不断增加过程中，各工况主桁右幅3-1和5-1截面测点应力与数值解的对比见表2。从表2可以看出，随着水位的增加，各测点应力实测值与数值解的比值介于29.30%～95.52%，钢结构渡槽的应力具备良好的安全储备。

    表2 主跨弦杆应力实测值与数值解对比

    4.2 结构静载变形测试结果

    充水试验过程中记录结构变形，本节给出各级水位加载下图6中主桁上弦杆左幅左侧(I轴)、左幅右侧(II轴)、右幅左侧(III轴)、右幅右侧(IV轴)测点变形实测趋势曲线，如图8所示，其中A6-1、A6′-1等横坐标表示双幅对称节点编号及测点编号。

    图8 各级水荷载下上弦杆挠度测点变形曲线Fig.8 Deformation curves of deflection measurement points under various water loads

    由图8可以看出，随着加载水位的增加，各测点挠度同步增加。同时，各级水位加载过程中，结构变形具有良好的对称性。

    结构变形控制主要以边跨跨中和中跨跨中节点进行控制，A4和A20节点上弦杆变形实测挠度值如图9所示。从图9中可以看出荷载与变形呈显著的线性关系，反映了在水荷载作用下渡槽处于弹性状态。

    图9 部分节点各级水荷载下实测挠度Fig.9 Measured deflection at dome points under variouswater loads

    主跨跨中A20测点的挠度实测数值和数值计算值的比较，详见表3。

    表3 主跨上弦杆跨中挠度

    由表3可知，关键节点变形均小于数值解，中跨跨中A20节点最大变形为数值解的77%，说明新型钢渡槽组合体系静力力学性能良好。

    4.3 结构动载测试结果

    为全面评价新型钢渡槽结构的力学性能，通过脉动试验实测了结构在不同水位下结构的自振频率，本节仅给出结构在加载至4.0、4.4、4.8 m水深下的实测频率指标，见表4。

    表4 不同水深工况下实测频率

    由表4可知，渡槽在不同的水位作用下，模态参数会发生变化，但每级加载后的固有频率实测值均小于数值解，说明钢渡槽实际刚度良好，满足设计要求。

    本文依托引江济淮工程淠河总干渠渡槽工程，针对世界最大跨度新型钢渡槽结构，结合充水试验，对组合体系结构渡槽的应力、变形和动力性能进行重点监测，系统分析了充实试验过程中各监测指标随水位变化的规律，并与数值计算相互验证，结果表明钢渡槽力学性能良好，渡槽处于安全状态，为渡槽的全线通水提供了技术依据。

    本文对跨运河钢桁架梁拱组合体系通航渡槽力学性能的研究，一方面将传统混凝土结构渡槽拓展到钢结构渡槽，另一方面安全且美观的新型结构体系的运用丰富了渡槽设计思路。可为南水北调、引江济淮重大水利工程中类似项目提供技术参考。

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