渡槽知识

大型多纵梁式钢筋混凝土渡槽结构受力试验研究

一、渡槽原型概况

南水北调中线工程河南段双洎河渡槽为南水北调工程总干渠跨越河南省新郑市境内双洎河的交叉建筑物，担负着双洎河以北地区南水北调的输水供水任务。其中有郑州、新乡、安阳、邯郸、石家庄、北京、天津等大中城市的生活、工业用水以及沿干渠两侧河南、河北的农业用水，控制灌溉耕地面积3142万亩，负担分水口门61处，年平均输水100多亿立方米。该工程全长895m，槽身总长600m，设计流量490m3/s，加大流量540m3/s，其规模仅次于穿黄工程。由于其地质呈岩性不均且多层分布的状况，渡槽槽身为单跨简支结构。钢筋混凝土多纵梁结构是在总结借鉴我国钢筋混凝土矩形断面渡槽建设经验基础上［1］，结合双洎河渡槽工程特点进行改进设计，通过综合技术经济比较后选取的设计方案之一。由于渡槽结构规模的显著增大，使得渡槽纵横向各承载构件之间受力的复杂性增加，需要重新研究认识其中的作用规律，以充分发挥结构的整体受力特性。因此，在原型设计的基础上，进行了仿真模型试验研究。

渡槽原型如图1所示，其单跨跨度为20.0m，宽度为23.4m，高度为10.8m；过水断面宽度为19.0m，设计水深为6.77m，校核水深为7.27m。沿纵向设宽度1.0m、高3.0m（含槽底板厚0.5m)的8根主梁，沿横向设宽度1.0m、高2.5m（含槽底板厚0.5m)的6根次梁，与横梁相应设6条竖肋与侧墙板形成竖向梁板结构。根据设计要求，混凝土强度等级为C30，以二级配骨料配制；受力主筋采用II级热轧钢筋，分布钢筋采用I级热轧钢筋。

图1渡槽原型外观及纵横断面立体图

二、渡槽模型设计与制作

模型试验的任务是：（1）研究纵向主梁的受力性能，确定在不同受力阶段各梁的承载作用及各支座反力的分布规律；（2）研究横梁的受力性能及其对纵向主梁受力性能的影响；（3）研究渡槽结构整体受力极限状态及超载安全系数；（4）确定渡槽结构抗裂设计的控制截面及裂缝发生发展规律。

2.1模型比尺与材料选择

根据仿真模型相似理论［2］，能够反映原型受力全过程的模型材料与原型材料的应力应变关系应具有全过程相似性，比较简单的材料模拟就是采用与原型同样的材料进行模型制作。考虑渡槽原型的断面尺寸、模型成型的可行性、测试结果的精确性并兼顾试验设备能力等各方面因素，确定模型比尺为1：5，模型混凝土的级配和强度等级与原型相同，采用现浇成型，浇筑顺序与原型相同。模型钢筋总截面面积按模型比尺取为原型的1/25，采用与原型相同的表面变形钢筋，通过钢筋根数和直径的调整，使模型与原型钢筋的分散程度相近。受力钢筋按其合力作用点位置不变配置。分布钢筋按粘结相似原则配置，使模型与原型钢筋的d/c（d 为钢筋直径，c为混凝土保护层厚度）相同［3］。模型跨度为4.0m, 其横断面尺寸如图2所示。

图2渡槽模型横断面（尺寸单位：cm）

2.2加载系统

在正常运行状况下，渡槽主要承受结构自重和水荷载作用。

（1）竖向水荷载

竖向水荷载为作用在渡槽底板上的均布荷载。常规的加载方法如简支梁分配法和堆重法因所用分配梁和重物众多既不经济也难以保证加载精度，同时妨碍侧向水荷载的施加。因此，经过反复试验研究，研制出如图3所示的大型单面压力胶囊施加竖向水荷载。该装置底面采用厚度为3mm的一次成型特制橡胶皮，顶面采用厚度为20mm的钢板焊接成刚性骨架，两者之间采用法兰方法连接组成压力空腔，外接入水口向空腔内打水，通过该装置上部的2根纵向钢梁与4套反力架组成的反力装置达到向渡槽底板加压的目的。由于该装置底面橡胶皮柔度很大，抗拉性能较好，完全可以与底板的受力变形保持协调，对模型的刚度影响很小，从而达到了准确模拟竖向水荷载的目的。其内水压力通过四种仪器测定以保证加载的精确度和可信度：（1）在空腔顶面钢板上钻孔，焊接一段大腹钢管，内置水压力盒，钢管外口用环氧树脂牢固密封。通过计算机绘制实时监控曲线对加载过程予以控制；（2）在空腔侧封钢板上钻孔，焊接连接钢管装配精度为0.002MPa的水压力表直接读取内水压力；（3）在空腔顶面钢板上钻孔，连接透明塑料管，用皮尺测读水柱上升高度直观确定空腔内水压力；（4）在2根纵向钢梁两端与4套反力架之间搁置4个100t油压千斤顶，千斤顶与反力架横梁间搁置70t 传感器测定支反力换算空腔内水压力。

图3水荷载加载装置横断面示意

（2）横向水荷载

横向水荷载为作用在渡槽边墙上的倒三角形分布荷载。比较精确的加载可以采用上述的单面压力胶囊，沿边墙高度分层施加等效均布荷载。由于本模型渡槽边墙为嵌固在底部结构上的悬臂构件，受力简捷明确，本研究将研究重心放在侧墙对底部结构受力性能的影响上。根据三维有限元分析，本研究采用了较为经济可靠的系列千斤顶施加等效集中力模拟侧向水荷载，千斤顶连接在水平刚架上并由四角的竖立钢管支撑于地面，与竖向水荷载加载系统相互独立（图3）。因加载过程中横向水荷载的作用重心随水位不断变化，而加载设备随之改变加载位置比较困难，所以集中力作用点选取为设计水位横向水荷载重心，集中力大小按控制截面弯矩等效原则确定。本试验采用系列千斤顶包括8个60t、4个30t油压千斤顶，全部由成都五七一厂生产并由同一液压稳压源供油，经试验测试可以保证各千斤顶加载同步。正式模型试验时配备4个传感器对稳压器读数和两侧墙受力进行监测。

（3）结构自重

结合三维有限元分析结果，渡槽底部结构自重以均布荷载模拟，以面力代替体力，即在竖向水荷载施加之前，首先向压力空腔内注水施加等效自重的水压力。边墙自重采用堆积重物法施加在边墙顶部模拟，堆积量及作用位置以边墙控制截面应力等效为原则。为了尽量减小顶部加力钢梁对边墙的约束，在两边墙顶部小钢梁与横向大钢梁之间均设置滚轴支座。正式试验过程中采取了必要的防险保护措施。

图4边墙自重模拟系统

图5渡槽简支支座模拟示意

2.3模型支座

根据渡槽原型设计要求，渡槽各纵向主梁为一端滚轴、一端铰支的简支方式。模型的滚轴支座采用上下厚度为20mm的钢板间放置直径为28mm的圆钢棒，与原型滚轴支座一致；模型的铰支支座根据对渡槽原型各纵向主梁端部转角位移的三维有限元分析结果，选用具有一定压缩变形转动能力的油压压力钢枕模拟，压力钢枕上下各置厚度为20mm的钢板。同时利用压力钢枕测定各纵向主梁的支座反力，本试验共采用10块压力钢枕，其中在两边梁支座各布置2块，中间的六根梁支座各布置1块。压力钢枕由成都五七一厂定型生产。

2.4测试系统

除上述的加载测试设备和支座反力测试设备外，本试验尚布置有混凝土和钢筋应变片测试、渡槽底部位移测试和裂缝监测。整个模型共设置了75片钢筋应变片、175片混凝土应变片和28支电阻式位移计。钢筋应变片布置在各纵向主梁跨中、各纵向主梁间横梁跨中及边墙设计控制截面，与钢筋应变片对应的混凝土表面均布置有混凝土应变片，并在各纵向主梁跨中、各纵向主梁间横梁跨中截面的混凝土侧表面不同高度处沿水平方向布置3～4片混凝土应变片，同时在纵向主梁端部混凝土表面布置应变花，应变花的方向为水平一片、垂直一片、45度方向一片。电阻式位移计布置在各纵向主梁两端支座和跨中底面，同时根据渡槽模型沿