淘金河大型预应力拉杆拱渡槽变形及抗震分析

黎 璟

(浙江工业大学 建筑工程学院 杭州市 310023)

淘金河渡槽是南水北调东线工程胶东地区引黄调水工程中的关键性水工结构。排架之上的槽身与槽体内水体质量大，地震作用时会对渡槽结构形式产生不利影响，因此南水北调工程中渡槽的抗震问题比较突出。目前国外新建渡槽数目较少，相关的研究文献资料主要针对渡槽结构的选型、结构模型试验、体型优化设计以及渡槽防渗修复等方面，而与渡槽模型进行抗震动力分析与计算方面相关的文献资料比较缺乏。

1 数值分析

1.1 结构组成

淘金河渡槽上承式拉杆拱由两榀钢筋混凝土拱肋、预应力混凝土拉杆、吊杆及拱上排架组成，拱肋轴线为二次抛物线，其方程为

图1 拉杆渡槽模型(单位：m)

(1)

式中：f—矢高，10.50m；

l—拱跨度，47.00m。

矢跨比1∶4.48，模型结构见图1。

渡槽各组成部分结构的数量及参数见表1：

表1 结构参数表

1.2 计算方法

预应力混凝土拉杆拱结构为高次超静定结构，所有连接均为刚性连接或共节点连接。数值模拟采用有限元分析软件Midas/Civil 2015进行。拉杆、主拱、排架、肋间支撑、钢管横系杆均采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟。地震加速度时程曲线的输入，依据地质报告，使地震动的频谱特性、有效峰值和持续时间符合规定。考虑E1地震作用(工程场地重现期较短的地震作用，对应于第一级设防水准)，结构在线弹性范围内，基本不发生损伤。拱脚边界条件采用一般支承。

1.3 荷载及组合

荷载计算依据《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077-1997)，荷载组合依据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)，共进行了8种荷载组合工况下的计算，并进行了承载能力极限状态和正常使用极限状态验算。各种荷载针对不同的设计工况取不同的分项系数和组合系数，荷载组合如表2：

表2 荷载组合

2 结果分析

2.1 拱肋承载能力极限状态

(1)受拉承载能力分析

不同荷载组合工况下，上承式拉杆拱渡槽结构各部分的变形和应力状态区别较大。组合3工况下，风荷载对空槽结构产生较大的横向变形和拉应力。组合3工况下拱肋I的1/8截面位置产生的最大拉应力σtmax=1.82MPa；拱肋II在各荷载组合下，均不产生拉应力。

由上述计算分析可知，在未完成预应力的张拉时，如遭遇风荷载，拱肋会产生对结构不利的拉应力。

(2)受压承载能力分析

由计算可知，上承式拉杆拱渡槽结构所受的最大压应力均小于混凝土抗压强度设计值。组合2工况下，拱肋I、II的1/8截面即1-1、2-2截面产生的最大压应力σcmax=17.85MPa。

2.2 拱肋正常使用极限状态

(1)裂缝宽度分析

钢筋混凝土构件，在正常使用极限状态下的裂缝宽度，按作用(或荷载)短期效应组合并考虑长期效应影响进行验算。在距拱脚水平距离3.32m处拱肋有最大裂缝宽度W=0.18mm，小于钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度限值Wtk=0.2mm。

(2)挠度分析

图2 拱肋挠度图

2.3 拉杆侧向位移和吊杆内力

通过对各种荷载组合下的拉杆拱渡槽计算可知，拉杆I、II在组合1下产生最大负向位移，分别为14mm与13mm；拉杆I、II在组合2下产生最大正向位移分别为10mm与11mm。

吊杆在单个荷载及荷载组合作用下，内力如表3。

表3 拉杆内力(kN)

由表3，在预应力、满槽水重及风荷载作用下均有吊杆产生压力；且位于顺桥向吊杆4两侧对称位置的吊杆所受内力基本相同，其中位于拱肋1/4处的吊杆2承受最大的拉力σtmax=81.8MPa。

2.4 地震响应分析

(1)横槽向地震激励

在横槽向地震反应谱作用下的渡槽模型在空槽和满槽情况下的变形，如图3、图4所示。

图3 横槽向地震作用下空槽模型的变形(单位：mm)

图4 横槽向地震作用下满槽模型的变形(单位：mm)

由图3、图4可以看出，在横槽向地震激励条件下，渡槽空槽和满槽模型均发生了沿Z方向正对称变形，满槽情况下拱肋变形显著大于空槽情况下，拱肋变形的最大值位于主拱圈拱顶，空槽模型和满槽模型槽身竖向变形的最大值分别为5.55mm和-16.96mm。

主拱圈结构在空槽和满槽情况下的位移值如表4所示。

表4 主拱圈控制截面位移值(单位：mm)

从表4中数据纵向对比可以看出，在横槽向地震激励作用下，渡槽主拱圈截面的位移响应规律为：沿横槽向(Y)的位移最大，竖向(Z)的位移次之，顺槽向(X)的位移最小；主拱圈截面的位移值从拱脚至拱顶呈逐渐增大趋势。一方面说明了该渡槽结构的横向刚度较小，同时也体现了横桥向地震激励会对结构横桥向(Y)与竖向(Z)产生较大影响。

从表4中数据横向对比可以看出，满槽情况下的各向位移响应较空槽时大，顺槽向(X)位移基本不变，横槽向(Y)在拱顶和1/4拱处位移分别增大了2.03mm和1.81mm；竖向(Z)在拱顶和1/4拱处位移分别增大了4.09mm和1.81mm。说明在横桥向地震作用下，水体降低了渡槽的整体刚度，位移响应得到增大，而对顺桥向刚度影响不大。

(2)顺桥向地震激励

在顺桥向地震反应谱作用下的渡槽模型在空槽和满槽情况下的变形图如图5和图6所示。

图5 顺槽向地震作用下空槽模型的变形(单位：mm)

图6 顺槽向地震作用下过水模型的变形(单位：mm)

由图5和图6可以看出，在顺槽向地震激励条件下，渡槽空槽和满槽模型均发生了沿方向正对称变形，满槽情况下模型的变形显著大于空槽情况下，变形的最大值位于主拱圈拱顶对应的槽身位置，空槽模型和满槽模型变形的最大值分别为6.25mm和-16.04mm。

主拱圈结构在空槽和满槽情况下的位移值如表5所示：

表5 主拱圈关键截面位移值(单位：mm)

从表5中数据纵向对比可以看出，在顺槽向地震激励作用下，渡槽主拱圈截面的位移响应规律为：沿横槽向(Y)的位移最大，竖向(Z)的位移次之，顺槽向(X)的位移最小；主拱圈截面的位移值从拱脚至拱顶呈逐渐增大趋势。一方面说明了该渡槽结构的横向刚度较小，同时也体现了顺桥向地震激励会对结构横桥向(Y)与竖向(Z)产生较大影响。

从表5中数据横向对比可以看出，满槽情况下的各向位移响应较空槽时大，横槽向(Y)位移基本不变，顺槽向(X)在拱顶和1/4拱处位移分别增大了2.7mm和1.53mm；竖向(Z)在拱顶和1/4拱处位移分别增大了3.93mm和1.81mm。说明在顺桥向地震作用下，水体降低了渡槽的整体刚度，位移响应得到增大，而对横向刚度影响不大。

3 渡槽结构原位监测分析

渡槽观测设施包括水平位移观测和垂直位移观测，水平位移观测和垂直位移观测共用同一个标点和基点。通过原位监测数据与仿真模拟结果对比分析，校核仿真计算结果。

3.1 张拉过程侧向变位分析

第一跨拱的张拉顺序见图7，张拉应力控制见表6。

表6 第一跨南拉杆分步、分级张拉过程南北拉杆侧向变位(单位：mm)

第一跨张拉完毕，测得拉杆沿纵向位移收缩值：

南拉杆：4+13=17mm

北拉杆：5+10=15mm

第一跨拉杆拱张拉完毕，拉杆纵向变位在规范规定的范围内。实测数据与模型计算结果，南拉杆与北拉杆精度分别为82.35%与86.67%，两者基本吻合。

3.2 第一跨拱肋应力应变监测

(1)监测设计

在第一跨拱肋的拱脚、1/4拱肋、1/2拱肋每处上、下部位各粘贴一片应变片，量测施工过程中拱肋各部位的应力变化。

图7 拱肋各特征部位应变片位置

(2)应力应变监测结果分析

应力应变监测结果见表7、图8～图11。

通过现场原位测试和数值计算对比分析得出如下结论：

(1)结构自重+渡槽满水+地震荷载(顺桥向)+风荷载是最为危险工况，该工况下拉杆、拱肋的最大竖向位移分别达到-17.972mm、-17.893mm，分别是无地震时6.5倍、7.5倍。另外渡槽设计在水力条件及过水能力满足要求的条件下，应尽可能减小排架的高度，这不仅是减小工程量和投资的要求，而且是非正常状态下渡槽安全运营的需要。

表7 各应变片应变增量累计

图8 1#、2#应变片累计变化

图9 3#、4#应变片累计变化

图10 5#、6#应变片累计变化

图11 7#、8#应变片累计变化

(2)拉杆、拱肋的预应力张拉和施工工序、施工进度是一对矛盾，就整体结构受力和变形最优而言，当然是整跨渡槽的下部拱体全部浇注完毕并在混凝土强度达到要求再行张拉，所引起的拉杆、拱肋变形最小。实际施工时这是很难做到的，但拉杆的张拉必须在横撑(最好包括斜撑浇注完毕后)再行张拉，拱肋的张拉也应如此，这样可减小拉杆、拱肋的竖向或侧向变形。

(3)三维物理模型试验、原位测试、数值计算结合起来对新型大跨度渡槽结构研究是保证结构优化设计的有效手段，排架-渡槽-水三维耦合体系的地震响应不同于一般的桥梁结构，无论是国内还是国外，关于这方面的研究还比较欠缺，还应进行更进一步的深入探索。

4 结语

(1)渡槽在未完成预应力张拉时，如遭遇风荷载，拱肋拱脚部位会产生拉应力σtmax=1.82MPa，此为不利工况。

(2)渡槽在横桥向与顺桥向地震激励下，横桥向均发生较大的位移，说明渡槽的横向刚度较低，在地震作用时横向稳定问题较为突出；结构在满槽时的地震响应明显强于空槽结构地震响应，说明水体作用显著降低了渡槽结构的自振频率，使得结构的整体刚度得到了降低，因此在抗震分析时需着重考虑水体作用下的结构抗震性能。