克孜河渡槽充水載荷試驗及結(jié)構(gòu)承載能力評價

何建新, 楊志豪, 劉 亮, 劉 濤

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

新疆維吾爾自治區(qū)克孜河渡槽槽身斷面尺寸大，工程區(qū)氣候干燥、晝夜溫差顯著，槽身腹板混凝土受溫度應力作用，在自身干縮及底板混凝土約束條件下出現(xiàn)了較多溫度裂縫，可能影響結(jié)構(gòu)的承載能力[1-2]。因此，在渡槽通水前進行充水載荷試驗以驗證槽身結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足運行要求是有必要的。

目前，國內(nèi)關于渡槽結(jié)構(gòu)承載能力評價大多是以實測值與理論計算值的定性分析或再結(jié)合實測極值與規(guī)范中規(guī)定的允許值的對比為依據(jù)，張保軍等[3]、張文勝等[4]通過開展充水試驗，將實測的撓度值與理論計算值作對比，驗證了結(jié)構(gòu)承載能力的可靠性；馮光偉等[5]、黃君寶等[6]、劉帥等[7]、宋志鵬等[8]采用現(xiàn)場監(jiān)測與三維有限元分析相結(jié)合的方法分析了不同工況下渡槽結(jié)構(gòu)的應力應變及變形規(guī)律，通過與實測結(jié)果作對比，探明了結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，并基于分析結(jié)果結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對渡槽結(jié)構(gòu)承載能力進行了評價。但僅依靠定性分析及單一的極值評價指標無法充分反映渡槽結(jié)構(gòu)的承載能力，例如，在槽中水位起伏變化情況下，隨結(jié)構(gòu)殘余變形的積累，結(jié)構(gòu)的彈性工作性能、渡槽在建設期和運行期受施工因素及環(huán)境因素的影響，結(jié)構(gòu)的承載能力儲備等問題均不能由上述評價方法反映。丁宇等[9]根據(jù)鋼筋的實測應力結(jié)合正交設計方法、神經(jīng)網(wǎng)絡模型和有限元分析對渡槽真實力學參數(shù)進行了反演，并與實測值進行對比，有較高的精確性；張鋒[10]采用考慮多因素的層次分析法對渡槽結(jié)構(gòu)的安全性進行了評價；祝彥知等[11]針對鋼筋混凝土渡槽，提出了非概率時變可靠度分析方法對渡槽的結(jié)構(gòu)可靠度進行了計算，這些方法可為渡槽結(jié)構(gòu)承載能力的定量評價提供參考，但仍未突破承載能力評價指標單一的局限性。在橋梁結(jié)構(gòu)承載能力評價中，李興義等[12]通過對比靜載試驗監(jiān)測成果與三維模型理論計算結(jié)果，采用校驗系數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)承載能力現(xiàn)狀進行了定量評價；張林華[13]、張茵濤[14]、吳建奇等[15]除采用校驗系數(shù)評價結(jié)構(gòu)承載能力外，又通過相對殘余撓度評價指標對結(jié)構(gòu)的彈性工作性能做出了定量評價；王凌波等[16]通過建立理論校驗系數(shù)的推算方法，進一步優(yōu)化了校驗系數(shù)的評定方法，這些評價指標的使用及優(yōu)化為渡槽結(jié)構(gòu)承載能力的定量評價提供了新思路。

渡槽充水試驗方案設計是結(jié)構(gòu)承載能力評價的關鍵，但方案中加載級別及穩(wěn)定荷載時間的確定多以工程經(jīng)驗為主，受主觀因素影響強烈，缺乏客觀依據(jù)，徐家灣渡槽充水試驗分5級加載級別，最高一級為加大流量工況對應水位，每一級加載完成后穩(wěn)定3 d再逐級放水[17]；沙河渡槽充水試驗分設計水位和滿槽水位2級加載，穩(wěn)定荷載時間由監(jiān)測所需時間確定[18]；湍河渡槽充水試驗共設計水位和滿槽水位2級加載工況，采用連續(xù)加載方式[19]；龍場渡槽充水試驗分5級加載，加載至加大水位，加載完成后的靜停時間隨加載級別的提高而延長[20]。

為評價克孜河渡槽結(jié)構(gòu)的承載能力，采用實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測充水加載過程和卸載后該渡槽結(jié)構(gòu)各測點的撓度值及撓度變化規(guī)律，分析確定充水載荷試驗的加載級別、穩(wěn)荷時間和結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，并采用撓度極值、相對殘余撓度和撓度校驗系數(shù)結(jié)合監(jiān)測結(jié)果對渡槽結(jié)構(gòu)承載能力進行評價。該研究可為類似工程的充水載荷試驗和承載能力評價提供參考依據(jù)。

2 工程概況

克孜河渡槽工程地處新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)疏附縣，是跨克孜河調(diào)水的輸水工程，全長740 m，起止樁號為0+500 m～1+240 m。渡槽段共分為 22 跨，每跨長度為 30 m，渡槽整體現(xiàn)場圖片如圖1所示(沿圖片向內(nèi)渡槽跨次遞增)，設計流量及加大流量分別為87、100 m3/s，相應水深分別為2.47、2.63 m，主要建筑物等級為3級。渡槽為“先澆后張”預應力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分兩次澆筑，首次澆筑至八字墻以上 25 cm，第2次澆筑腹板、頂板結(jié)構(gòu)。渡槽槽身分為兩孔，縱坡 1/550，尺寸均為 5.5 m×3.5 m(寬×高)。渡槽下部結(jié)構(gòu)采用3根排架柱，柱頂設置蓋梁，柱底位于鋼筋混凝土承臺上。渡槽槽身橫斷面示意圖見圖2。

圖1 克孜河渡槽整體現(xiàn)場圖片 圖2 克孜河渡槽橫斷面示意圖(單位：m)

3 充水載荷試驗

充水載荷試驗分為充水加載和退水卸載兩個階段。

3.1 封堵方案

3.1.1 試驗段選擇 前期的調(diào)查資料表明，渡槽第7跨腹板混凝土出現(xiàn)裂縫最多，其結(jié)構(gòu)的承載能力損失也應最大，對該跨承載能力的評價對于渡槽的安全運行有重要意義。同時，為模擬渡槽在實際運行條件下槽墩的沉降，需增加第8跨用于給第7、8跨之間的槽墩施加對稱荷載。因此，選定渡槽第7、8跨為試驗段進行充水載荷試驗，其中第7跨作為主要的撓度監(jiān)測段，相應的儀器設備均布置在第7跨測點處。

3.1.2 封堵措施 在渡槽內(nèi)第6跨下游和第9跨上游左、右兩孔共設立4個封堵圍堰，封堵方式采用370 mm厚M10砂漿磚砌體為主體結(jié)構(gòu)，并在背水面用鋼管架支撐，迎水面以砂漿抹面和高強聚氨酯防水層作為防滲材料。在下游封堵圍堰靠近底板的位置設置2根DN300的塑料排水管，以實現(xiàn)第2階段的退水卸載。

3.2 充水載荷試驗方案

3.2.1 充水加載級別與穩(wěn)荷時間 充水加載設為5級加載：前3級分別為1/4、1/2和3/4設計流量對應水位(0.62、1.24和1.85 m)，第4級為設計水位(2.47 m)、第5級為加大水位(2.63 m)。滿載水位(3.00 m)是渡槽實際運行中出現(xiàn)概率極低的工況，對應的荷載可能對結(jié)構(gòu)的承載能力有一定的影響，而通過監(jiān)測該工況下控制斷面的撓度值，可更充分地探明渡槽結(jié)構(gòu)的承載能力。因此，在5級加載級別監(jiān)測結(jié)果的基礎上，以施加的荷載不會影響到結(jié)構(gòu)承載能力為先決條件，可增加滿載水位為第6級加載級別。

根據(jù)本次充水試驗結(jié)果，第5級加載級別下荷載與撓度呈線性關系且實測撓度值(2.93 mm)小于結(jié)構(gòu)設計允許值(50 mm)和對應工況下理論計算值(3.75 mm)[21]，主要是因為渡槽結(jié)構(gòu)的混凝土實測強度高于理論設計強度，且預應力鋼絞線實測強度與理論設計強度相近，使得結(jié)構(gòu)總體剛度大于理論設計值，所以在此工況下結(jié)構(gòu)的實際承載能力符合規(guī)范設計規(guī)定且優(yōu)于理論設計情況，可增加第6級加載級別。通過分析第6級加載級別下?lián)隙鹊谋O(jiān)測結(jié)果，驗證了該判別方式的合理性(詳見后文)。

國內(nèi)學者對于穩(wěn)荷時間的選取主要是參考工程經(jīng)驗，并沒有相應的數(shù)據(jù)支持。當穩(wěn)荷時間過長時，在持續(xù)水荷載作用下，結(jié)構(gòu)的承載能力會受影響且監(jiān)測結(jié)果也失去了準確性[22]；若時間過短，槽中水位仍在波動且結(jié)構(gòu)各構(gòu)件變形未協(xié)調(diào)完成，監(jiān)測所得撓度值偏小，對結(jié)構(gòu)的承載能力評價不利。因此，本試驗采用電子式百分表實時監(jiān)測試驗過程中的撓度變化，并根據(jù)穩(wěn)荷時間段內(nèi)實測的撓度數(shù)據(jù)，以撓度值在一段時間內(nèi)的變幅為指標分析確定穩(wěn)荷時間。以縱梁跨中在各級荷載穩(wěn)定時間段30 min內(nèi)實測的撓度數(shù)據(jù)為例，相應撓度曲線見圖3。

圖3 各級荷載下穩(wěn)荷30 min內(nèi)縱梁跨中實測撓度曲線

由圖3可知，各級荷載穩(wěn)荷時段內(nèi)縱梁跨中撓度值變幅逐漸減小，且時段末連續(xù)10 min內(nèi)撓度值趨于穩(wěn)定，說明在穩(wěn)荷時段內(nèi)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形完成，可進行下一級加載，因此以30 min作為穩(wěn)荷時間是可行且合理的。

3.2.2 退水卸載試驗 卸載分級與加載保持一致，最后一級加載完成及監(jiān)測結(jié)束后，逐級退水卸載。在退水過程中，控制左、右兩孔水位，保證水位相近，并在放空后待撓度值趨于穩(wěn)定后進行結(jié)構(gòu)殘余撓度的監(jiān)測。

3.3 監(jiān)測儀器布置

3.3.1 監(jiān)測設備安裝 試驗監(jiān)測儀器采用電子式數(shù)顯百分表，型號為25×0.01 mm，主要測量結(jié)構(gòu)的直線位移，讀數(shù)精度可達0.01 mm。將百分表通過信號線接入相應的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設置監(jiān)測頻率為1次/min，可實時地監(jiān)測結(jié)構(gòu)的位移變化。百分表通過磁性表座安裝在第7跨測點下方預先搭建的腳手架上，并調(diào)整測桿使其與結(jié)構(gòu)位移方向平行。

3.3.2 測點布置 該渡槽為梁式渡槽，在結(jié)構(gòu)受力時會產(chǎn)生豎向位移，相應的監(jiān)測點則選在結(jié)構(gòu)的端部和跨中[23]。本次試驗在左邊梁、縱梁、右邊梁的跨中及端部共布置9個測點，其中端部用于監(jiān)測槽墩在水荷載作用下產(chǎn)生的沉降值和各梁支座的變形值，相應的測點布置圖如圖4所示。

圖4 渡槽跨中位移及槽墩沉降測點布置示意圖(結(jié)構(gòu)底部)

4 結(jié)果與分析

4.1 槽墩沉降監(jiān)測結(jié)果與分析

各級加載過程中第7跨、第8跨共用槽墩的邊墩沉降量(左邊墩和右邊墩沉降平均值)和中墩沉降量的時程曲線見圖5。

圖5 加載過程中槽墩沉降時程曲線

由圖5可知，中墩和邊墩的沉降量隨水深(試驗荷載)的增大而增大，在滿槽水深時，沉降量達到最大。加載期間未出現(xiàn)明顯不均勻沉降，槽墩地基結(jié)構(gòu)強度、變形滿足設計要求。以邊墩和中墩沉降量的平均值作為槽墩整體的沉降量，相應成果作為跨中撓度計算及結(jié)果分析的依據(jù)。

4.2 跨中撓度監(jiān)測結(jié)果與分析

監(jiān)測所得位移數(shù)據(jù)扣除相應的沉降量及支座變形，則得到相應的實測撓度數(shù)據(jù)。加載過程中渡槽縱梁和左、右邊梁的跨中撓度時程曲線見圖6。

圖6 渡槽縱梁和左、右邊梁跨中撓度時程曲線

由圖6可知，各梁跨中撓度隨水深(荷載)的增加而增大，且近似呈線性變化，而變化速度的不同是因為更換水泵導致水荷載加載速率發(fā)生變化所致；在滿槽水深時，撓度值達到最大，左邊梁、縱梁、右邊梁分別為2.53、3.40、2.35 mm。

大型預應力混凝土渡槽結(jié)構(gòu)在水荷載作用下變形的宏觀表現(xiàn)為左、右邊梁的撓度實測值及其增長趨勢相近，縱梁的撓度始終大于兩邊梁的撓度[24]。本次充水試驗撓度監(jiān)測結(jié)果與一般規(guī)律相符，驗證了監(jiān)測結(jié)果的合理性。

每一級加載級別施加的荷載為第7、8兩跨達到相應的平均水深時的總水量的水重(g取9.8 kN/m3)，為進一步探明各加載級別下結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，提取每一加載級別下各梁的跨中撓度值(穩(wěn)荷時間結(jié)束后的測值)并計算相應級別的總水量和水荷載，結(jié)果見表1。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，采用一次函數(shù)擬合各級水荷載與相應的跨中實測撓度值，擬合結(jié)果見圖7。

表1 各加載級別下總水量和水荷載及其相應的各梁跨中實測撓度

圖7 單跨水荷載與各梁跨中撓度值線性擬合結(jié)果

由圖7可以看出，各梁實測撓度值與所受水荷載線性相關系數(shù)皆在0.95以上，線性關系顯著，結(jié)構(gòu)始終呈彈性工作狀態(tài)，該分析結(jié)果為結(jié)構(gòu)相對殘余撓度及撓度校驗系數(shù)的評價提供了前提條件。退水卸載試驗結(jié)果表明，卸載完成后縱梁跨中殘余撓度值為0.39 mm。

5 渡槽結(jié)構(gòu)承載能力評價

采用撓度極值單一指標并不能充分反映出渡槽結(jié)構(gòu)的承載能力，需要綜合其結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)、工作性能和結(jié)構(gòu)的承載能力儲備全面地評價渡槽的承載能力，并基于評價指標通過與同類工程對比以反映渡槽結(jié)構(gòu)的承載能力水平。因此，引入了相對殘余撓度和撓度校驗系數(shù)評價指標。

5.1 撓度極值

克孜河渡槽計算跨度為30 m，《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(SL 191—2008)[25]規(guī)定渡槽撓度的允許值為計算跨度的1/500或1/600(跨度大于10 m)，而充水試驗結(jié)果顯示，克孜河渡槽跨中撓度極值為3.40 mm，遠小于規(guī)范規(guī)定的撓度允許值50 mm，因而結(jié)構(gòu)承載能力滿足設計要求。

5.2 相對殘余撓度

在渡槽的運行期內(nèi)水位不會始終如一，在水位起伏變化時，渡槽結(jié)構(gòu)的彈性工作性能就決定了其長期的使用性能。若結(jié)構(gòu)彈性工作性能較差，在多次水位起伏作用下，不可恢復的撓度變形錙銖積累，有可能在結(jié)構(gòu)還未達到使用壽命時，承載能力就難以滿足正常運行的要求。因此，引入相對殘余撓度用于評定結(jié)構(gòu)的彈性工作性能。

相對殘余撓度是指荷載卸除之后結(jié)構(gòu)的彈性恢復能力，用卸載后結(jié)構(gòu)的殘余撓度值與最大荷載下結(jié)構(gòu)的撓度值的比值表示，可定量地反映結(jié)構(gòu)的彈性工作性能，相對殘余撓度值越小，則結(jié)構(gòu)彈性工作性能越好，一般要求小于相關規(guī)范中規(guī)定限值的20%。相對殘余撓度的計算公式如下：

(1)

克孜河渡槽跨中實測殘余撓度為0.39 mm，最大荷載下實測跨中撓度為3.40 mm，計算所得相對殘余撓度為11.5%，未超出限值20%的規(guī)定，結(jié)合荷載與撓度的擬合結(jié)果，說明該渡槽結(jié)構(gòu)彈性工作性能較好。

5.3 撓度校驗系數(shù)

工程建設中會以一定的結(jié)構(gòu)可靠度進行結(jié)構(gòu)設計，使其具有一定的承載能力儲備，但在實際施工過程中，環(huán)境因素、人員施工水平不均勻性和材料性質(zhì)變異性的影響會削減結(jié)構(gòu)的承載能力儲備，使其實際承載能力與理論設計承載能力相比存在差異，所以結(jié)構(gòu)承載能力儲備的評定對檢驗結(jié)構(gòu)實際承載能力能否滿足渡槽運行要求有重要意義。因此，引入撓度校驗系數(shù)ζ反映結(jié)構(gòu)實際承載能力與理論承載能力的差異以評定結(jié)構(gòu)的承載能力儲備。

撓度校驗系數(shù)ζ由靜載試驗中彈性變形指標值與相應的理論計算值的比值確定。其計算公式為：

(2)

式中：ζ為測點的撓度校驗系數(shù)；Se為試驗荷載作用下測點的實測彈性變位，mm；Ss為試驗荷載作用下測點處的理論計算變位，mm。

根據(jù)文獻[16]計算所得結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)限值為1，與相關規(guī)范一致，則當ζ<1時，結(jié)構(gòu)的實際承載能力優(yōu)于理論承載能力，說明結(jié)構(gòu)具有較富裕的承載能力儲備。采用文獻[21]中有限元計算結(jié)果，在加大流量工況下考慮渡槽裂縫的跨中撓度最大值為3.75 mm，對應的實測撓度值為2.93 mm，代入公式(2)得撓度校驗系數(shù)為0.78，未超過規(guī)范限值1，表明克孜河渡槽結(jié)構(gòu)在加大流量荷載作用下仍具有較富裕的承載能力儲備。

5.4 同類工程對比

將國內(nèi)部分同類渡槽工程充水試驗監(jiān)測成果列于表2。分析表2中數(shù)據(jù)可知：所有工程撓度極值皆小于規(guī)范允許值，結(jié)構(gòu)承載能力均滿足設計要求；對比相同工況下的撓跨比，本工程數(shù)值中等偏小，渡槽結(jié)構(gòu)承載能力相對較優(yōu)；對比校驗系數(shù)，本工程數(shù)值較小，渡槽結(jié)構(gòu)的承載能力儲備相對富裕；在相對殘余撓度方面同類渡槽工程沒有監(jiān)測成果，無法進行對比分析。

表2 國內(nèi)部分渡槽工程充水試驗成果統(tǒng)計表

綜上所述，本渡槽各項評價指標均優(yōu)于所列已建工程相應指標的最劣值，因此本渡槽結(jié)構(gòu)承載能力水平相對較好。

6 結(jié) 論

通過克孜河渡槽充水載荷試驗及相應的成果分析得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)本次試驗的實際情況，穩(wěn)荷時間可根據(jù)穩(wěn)荷時段內(nèi)撓度值的變幅及變化趨勢確定，建議檢查最高一級水荷載條件下結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和結(jié)構(gòu)控制斷面的撓度值與結(jié)構(gòu)設計允許值和理論計算值的大小關系，從而決定是否增加滿槽水荷載加載級別，可更充分地探明渡槽結(jié)構(gòu)的承載能力。

(2)加載過程中克孜河渡槽結(jié)構(gòu)撓度變形符合一般變形規(guī)律，結(jié)構(gòu)始終處于彈性工作狀態(tài)；結(jié)構(gòu)承載能力評價指標撓度極值3.40 mm、相對殘余撓度11.5%和撓度校驗系數(shù)0.78均滿足規(guī)范限值要求，表明結(jié)構(gòu)承載能力滿足設計要求，彈性工作性能較好，并具有較富裕的承載能力儲備；通過評價指標進行同類工程對比，反映出克孜河渡槽結(jié)構(gòu)具有較好的承載能力水平。

(3)引入結(jié)構(gòu)承載能力評價指標撓度極值、相對殘余撓度和撓度校驗系數(shù)能夠綜合地反映結(jié)構(gòu)的承載能力，且可通過評價指標實現(xiàn)同類工程對比以反映結(jié)構(gòu)的承載能力水平，為渡槽工程的結(jié)構(gòu)承載能力評價提供了新的思路，有一定的應用價值，而渡槽結(jié)構(gòu)型式復雜多樣，針對不同的結(jié)構(gòu)型式，還需對評價指標的限值開展進一步研究。