大型多纵梁式钢筋混凝土渡槽结构受力试验研究
赵顺波 胡志远 李晓克
华北水利水电学院土木工程系 郑州 450045
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南北方向放置的结构及荷载对称性，在东半部4根纵向主梁底面（位于渡槽两端第一第二横梁中间）各布置2支电阻式位移计、在第二横梁底面（位于各纵向主梁中间）布置4支电阻式位移计。图6所示为边纵梁及侧墙外表面混凝土应变片的布置,其它仪器布置情况详见研究报告［6］。加载传感器数据由YJ-25电阻应变仪人工采集记录。其它所有数据均由英国进口Solartron高精度数据采集系统、上海华东电子仪器厂生产YJ-22全自动数据采集系统通过计算机自动采集。
 
图6 边纵梁及侧墙外表面混凝土应变片的布置
三、模型试验
3.1 试验程序
模型纵向在实验室内沿南北向放置。本模型主要试验程序分为四个阶段：（1）模型制作阶段，包括钢筋应变片的设置、钢筋骨架绑扎、模板、混凝土浇筑与养护；（2） 加载设备研制及安装阶段，进行了竖向水荷载加载装置的前期小模型试验测定内压极限承载力，成功后开始正式制作、安装并反复调试以保证正式试验成功。竖向水荷载加载装置调试完成后，进行侧向水荷载加载装置的安装调试；（3）测试系统的安装调试，模型混凝土浇筑28天后，开始布设混凝土应变片，加载系统调试完毕后布设电阻式位移计，联机后在渡槽1/2设计水位范围内进行仪器的全面调试；（4）正式试验，将槽面加载装置架空，初读数；架设边墙顶部两根横梁，放下槽面加载装置，相应施加等比例的水压，读数；吊装模拟边墙自重的其余重物，施加相应水压，完成结构自重的模拟，读数；加载至1/3和2/3设计水位后分别读数，并重复加卸载3次读数；加载至设计水位、校核水位、满槽水位，并分别读数；之后，每级加载水位升高0.5m，直至达到结构受力的极限状态。从2/3设计水位后，开始进行裂缝监测，裂缝出现后进行记录并读取典型裂缝的宽度。
3.2 超载试验方法
对于渡槽而言，其水荷载最大为满槽水位。渡槽的超载状况除槽内水位从校核水位升高至满槽外，主要将是由于渡槽结构本身因材料性能降低导致的抗力减小造成的。因此，单独提高水位进行渡槽超载试验是没有实际意义的。本模型试验根据渡槽的实际工作状况和超载的可能性，将超载试验分为两种状况：（1）渡槽水位在正常运行过程中超过设计水位至满槽；（2）渡槽因建造时材料性能未达到设计要求或渡槽使用若干年后因材料性能退化造成结构抗力降低，在同样的设计水位水荷载作用下，意味着结构超载。第一种状况检验结构在正常施工、正常使用条件、满槽水荷载作用下的工作性能，水荷载沿竖向和横向同时施加至满槽水位为止。第二种状况为结构设计、结构检验提供结构整体安全储备的参考，水荷载沿竖向和横向同时以设计水位的倍数施加。实际试验施加至2倍设计水位水荷载时，渡槽模型纵向主梁数条裂缝宽度达到了0.4mm的正常使用裂缝控制极限状态，至此完成全部试验工作。
四、试验成果分析
4.1 侧墙的受力性能
沿渡槽纵向侧墙内侧贴角上截面布置的竖向混凝土和钢筋应变片测试结果如图7和图8所示，证明侧墙在横向水荷载作用下为固结于底部梁板结构的悬臂构件，同时因受到渡槽两端竖肋的约束沿纵向产生侧向弯曲，致使侧墙裂缝控制截面位于跨中区域边墙根部。在校核水位水荷载作用下边墙竖肋的内侧表面出现长度为20mm～40mm的局部间断微裂缝，西侧墙2条，东侧墙1条。裂缝的开展与不断扩张导致钢筋受拉作用增大，其应力值也显著增加。在跨中区域钢筋应力值较大，在两端拉应力很小或为受压状态，与混凝土应变片测试结果相对应。当荷载达到1.52倍设计水位荷载时侧墙内表面裂缝延伸相连，裂缝呈水平状态，达到侧墙抗裂设计极限状态。
图7 侧墙底部控制截面内表面混凝土应变分布
图8 侧墙底部控制截面内侧竖向钢筋应力分布
4.2 纵向大梁的受力性能
加载至2/3设计水位荷载时，中间的4根纵向主梁（图2中3#～6#）梁底跨中区域各出现1～2条垂直裂缝，在设计水位荷载时最大裂缝宽度达0.09mm，校核水位荷载时最大裂缝宽度达0.15mm。随着荷载的增加，裂缝宽度发展缓慢。荷载达到1.52倍设计水位荷载时，最大裂缝宽度为0.30mm，裂缝数目增加到3～5条；到2倍设计水位荷载时，最大裂缝宽度达到0.40mm的正常使用裂缝控制极限状态。其它各纵向主梁在校核水位荷载后逐渐出现裂缝，但其裂缝高度和宽度均较小。此外，因横梁向纵梁传递集中力在纵横梁节点下部的纵梁上出现了斜向剪切裂缝。
1＃～4＃纵向大梁的受拉钢筋应力分布实测结果表明，在设计水位荷载作用以前的弹性受力阶段，各梁的受拉钢筋应力分布基本相似：对于1＃梁，由于它是与边墙联合受力，再加之截面刚度较大的横梁对纵梁间内力的重分配作用，其应力变化曲线基本呈水平状态；对于其余三根纵梁，应力变化曲线接近直线。但随着荷载的增大，受裂缝开展的影响，跨中钢筋应力增加较快。图9为跨中截面位置各纵向大梁钢筋应力随水荷载变化的实测曲线，可见各纵向大梁的受拉钢筋应力按1＃边纵梁至4＃中纵梁的顺序增大，表明了各纵梁的受力随远离边墙逐渐增大，这是与横梁的受力相对应的。随荷载的增加，测点应力也渐次增大。由靠近支座截面位置各纵向大梁受拉钢筋应力的测试结果发现，构件剪切变形对2＃和3＃纵向大梁端部受拉钢筋应力的影响较大，对4＃纵向大梁端部受拉钢筋应力的影响较小，对1＃纵向大梁端部受拉钢筋应力的影响因构件截面刚度很大而未明显表现出来。
图9 跨中截面位置各纵向大梁钢筋应力变化曲线
本结构作为一个整体的受力构件，其各纵向大梁的受力是协调受力的过程，从各纵梁的正截面应变分布可明显看出，渡槽底板和两侧墙在渡槽结构纵向受力过程中主要起到承压构件的作用，而底板下面的纵向大梁基本上为受拉，整个结构纵向受力的中和轴较高。在弹性阶段由于结构承受的荷载较小，各纵梁的应力增值差别不大；结构进入塑性阶段后，各纵梁的受力大小随荷载的增加一直处于一种动态调整的过程，其裂缝的发展过程同样也反映出这种规律。
由各应变花测得的混凝土最大主应变随水荷载变化情况看，在纵向大梁靠近支座的范围内，纵梁表面混凝土主拉应变方向向斜下方倾斜，有产生斜向裂缝的可能，试验中尚未发现明显可见的裂缝。
4.3 横梁的受力性能
横梁的开裂与裂缝发展迟于纵向主梁，加载至1.59倍设计水位水荷载时，从南端算起的4＃横梁在5＃和6＃纵梁之间的跨中出现竖向裂缝，在随后增加的水荷载作用下，2＃、3＃和4＃横梁又各出现2条竖向裂缝。到2倍设计水位荷载时，最大裂缝宽度为0.15mm。
3＃横梁底部钢筋应力分布如图10所示，可见横梁在靠近两侧墙处底部钢筋应变为负值，截面下部受压，随着远离边墙，横梁下部由受压向受拉转化。应力变化在设计水位前线性较好，但随荷载的增加，由于自身裂缝的不断开展与纵梁内力的不断调整，在高水位时钢筋应力变化较大。从总的来看横梁钢筋应力不大。
图10 3＃横梁底部钢筋应力分布
横梁斜截面的应变分布与纵梁的基本相同。在靠近两侧边纵梁的范围内，横梁表面混凝土主拉应变方向向斜下方倾斜，有产生斜向裂缝的可能，试验中尚未发现明显可见的裂缝。
在设计水位前，沿横梁正截面高度应变分布基本呈线性。随荷载的增加，底部测点的拉应变值逐渐增大，顶部测点由于结构内力重分布由受拉转为受压。与纵向大梁相比，其应变值相对较小。从横梁裂缝分布图中显而易见，裂缝的数量、沿高度方向裂缝的发展长度均少于或小于纵梁。因此，横梁在结构的承载体系中，主要作用在于重新调整内力在各纵向大梁的分配，以保证结构在出现裂缝的状态下，能够充分发挥各纵梁的承载能力，使结构具有较大的安全储备。
为了验证试验结果的可靠性，采用Super SAP93通用程序对渡槽结构进行了三维整体有限元分析［5，6］。利用结构、荷载、材料的对称性，取1/4结构划分混凝土三维块体有限元分析模型，其x、y、z分别对应渡槽的横向、竖向、纵向。共计4580个节点，3058个单元（其中块体元3044，边界元14）。在纵向对称面和横向对称面各节点上分别设x方向和z方向的约束，沿支座接触面节点设y方向边界元用以计算支座反力。渡槽结构在自重、设计水位水荷载、校核水位水荷载作用下主要设计截面的混凝土应力试验与计算成果列入表1，测点对应的截面位置详见文献［6］ [1] [2] 下一页
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