何博

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院,湖北武漢 430070)

二郎坪渡槽結(jié)構(gòu)安全復(fù)核分析

何博

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院,湖北武漢 430070)

針對(duì)渡槽裂縫、碳化、缺陷等進(jìn)行了檢測(cè),評(píng)價(jià)了裂縫和缺陷等原因?qū)Y(jié)構(gòu)安全的影響,為復(fù)核計(jì)算提供了參數(shù),對(duì)渡槽除險(xiǎn)改造提出了設(shè)計(jì)方案?？晒┩?lèi)渡槽工程安全運(yùn)行和改造方案借鑒。

二郎坪渡槽 工程安全 復(fù)核

1 工程簡(jiǎn)況

二郎坪渡槽是東風(fēng)灌區(qū)總干渠上的一座輸水構(gòu)筑物,地處宜昌市夷陵區(qū),是用于宜昌市城鎮(zhèn)供水、農(nóng)田灌溉及水力發(fā)電、泄洪等重要設(shè)施。該渡槽于1970年建成并投入使用,至今已運(yùn)行40余年。渡槽位于總干渠樁號(hào)25+876—26+153.5,全長(zhǎng)277.5m,上游進(jìn)口槽底高程為208.89m,出口槽底高程208.585m,坡降為1/910,設(shè)計(jì)流量為15m3/s。

二郎坪渡槽的結(jié)構(gòu)形式為雙曲拱肋結(jié)構(gòu),全長(zhǎng)共分七跨,每跨擱置四節(jié)槽身。主拱圈為三肋兩波,凈跨36.7m,凈矢高3.67m,矢跨比1/10,拱軸系數(shù)m=1.347;主拱圈拱肋寬0.25m,肋高0.4m;拱波厚0.08m,凈跨2.325m。拱肋、拱波均用200#砼澆筑;拱板采用150#砼現(xiàn)澆,拱頂最薄處厚0.06m。主拱圈總寬度為5.4m。單跨拱為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),1/2跨主拱圈上設(shè)有4排立柱,每排5根,其中3根立柱位于拱肋處,其余2根則位于拱波波頂。

渡槽支墩為混凝土半圓頭空心墩,支墩壁厚200mm,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為150#。

渡槽槽身過(guò)水?dāng)嗝鏋榫匦?每段槽身長(zhǎng)9.5m,槽身凈寬約4.85m,槽身側(cè)墻高約1.75m,側(cè)墻厚200mm～240mm,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為200#。

由于工程投資所限,工程材料因地制宜,施工工藝落后等客觀原因,工程出現(xiàn)嚴(yán)重老化及結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象,如混凝土結(jié)構(gòu)碳化嚴(yán)重,銹脹裂縫較為普遍,主要受力構(gòu)件開(kāi)裂,局部受力鋼筋裸露銹蝕,破損嚴(yán)重,已危及工程安全。

2 結(jié)構(gòu)檢測(cè)

檢測(cè)資料反映,槽身、支墩、拱波及拱上立柱等構(gòu)件存在多條裂縫。槽身共有42條裂縫,裂縫總長(zhǎng)80.89m,其中側(cè)墻36條,裂縫長(zhǎng)51.58m,底板6條,裂縫長(zhǎng)29.31m,均為貫穿或深層裂縫。1#～6#支墩中部?jī)蓚?cè)均存在1條豎向裂縫,邊墩中部有1條水平裂縫,支墩共13條均為貫穿性裂縫,裂縫總長(zhǎng)151.15m。另外,槽身側(cè)壁新、老混凝土之間存在較長(zhǎng)水平方向施工冷縫,兩拱波頂部均存在不同程度的縱向裂縫,拱上立柱為預(yù)制砼管做外模,內(nèi)充填混凝土,現(xiàn)約有2/5斷裂。

混凝土構(gòu)件的碳化深度也較大,這些構(gòu)件最小碳化深度為7.0mm,最大的已達(dá)到22.0mm。構(gòu)件因碳化原因產(chǎn)生局部破損露筋和銹脹裂縫,這也說(shuō)明部分混凝土碳化深度已達(dá)到或超過(guò)其實(shí)際鋼筋保護(hù)層厚度。

對(duì)混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕檢測(cè)采用無(wú)損與有損相結(jié)合的方法,前者主要是定性檢測(cè)即鋼筋的銹蝕程度,后者主要是定量檢測(cè),即鋼筋的蝕余直徑。

定量檢測(cè)即對(duì)因破損直接暴露于空氣中的鋼筋或?qū)Ρ砻嫱旰玫幕炷凌忛_(kāi),除去鋼筋表面銹皮后,利用數(shù)顯千分尺直接測(cè)量。共抽檢12個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比圖紙后發(fā)現(xiàn),最小銹蝕量為0.6mm,最大銹蝕量為1.2mm,平均銹蝕量為0.9mm,為復(fù)核計(jì)算提供依據(jù)。

3 復(fù)核計(jì)算

3.1 計(jì)算說(shuō)明

經(jīng)分析,渡槽結(jié)構(gòu)形式可分解為槽身、立柱、拱肋、拱波及支墩四部分。渡槽槽身擱置于立柱上,立柱設(shè)于拱波及拱肋上。在拱波頂部有砌石體填筑,立柱埋入混凝土中,拱腳與支墩連在一起,故考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)一起建模進(jìn)行計(jì)算。

初步檢測(cè)數(shù)據(jù)表明,渡槽拱肋和拱波鋼筋部分銹蝕,混凝土碳化深度約2cm?，F(xiàn)場(chǎng)照片中拱波中間有縱向裂縫,且有滲水,部分立柱已有傾斜趨勢(shì)。以上說(shuō)明拱肋、拱波及立柱對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)安全有很大影響。

本報(bào)告采用ANSYS有限元程序?qū)Χ刹劢Y(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核。在保證盡可能模擬現(xiàn)狀的前提下,對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,計(jì)算時(shí)取拱肋、拱波、立柱、上部渡槽及支墩作為計(jì)算模型。

計(jì)算截面是根據(jù)檢測(cè)結(jié)果扣除碳化深度之后的截面。計(jì)算成果中應(yīng)力值除特別說(shuō)明外均為拉應(yīng)力。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

渡槽現(xiàn)狀供水流量為12m3/s,設(shè)計(jì)流量為15m3/s,基本風(fēng)壓采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)宜昌地區(qū)的基本風(fēng)壓。

3.2.1 計(jì)算模型及荷載選取

計(jì)算模型中拱圈和立柱聯(lián)結(jié)成整體,拱波上砌石體重量和水重及風(fēng)荷載作為外荷載加入。

渡槽計(jì)算模型見(jiàn)圖3-1和圖3-2。Z軸為水流方向、Y軸為豎直向、X軸為垂直水流向,模型中取一半對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。兩端采用鏈桿約束、支墩底部采用全約束。

計(jì)算模型中,槽身、拱肋采用200#混凝土,支墩及立柱采用150#混凝土,泊松比為0.167。

計(jì)算模型所受外荷載為水重及風(fēng)荷載。結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算。

根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5077-1997),風(fēng)荷載可按下式計(jì)算:

式中,Wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;

Βz——z高度處的風(fēng)振系數(shù);

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù);

μ0——風(fēng)荷載體型系數(shù);

w0——基本風(fēng)壓。

查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)宜昌地區(qū)的基本風(fēng)壓為0.3KPa,風(fēng)振系數(shù)取1.0;風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.3;風(fēng)壓高度變化系數(shù)近似取1.4。

根據(jù)有限元計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果計(jì)算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋量,依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5057-1998)中公式:

受拉鋼筋的截面面積As應(yīng)滿足以下要求:

T≤(0.6Tc+fyAs)

式中,T——由荷載設(shè)計(jì)值確定的彈性縱拉力(包含結(jié)構(gòu)重要系數(shù)及設(shè)計(jì)狀況系數(shù))確定的總拉力,T=Ab,在此A為彈性應(yīng)力圖中拉應(yīng)力圖形的總面積,b為結(jié)構(gòu)截面寬度;

Tc——混凝土承擔(dān)的拉力,Tc=Actb,Act為彈性應(yīng)力圖中主拉應(yīng)力值小于軸心抗拉設(shè)計(jì)值ft的圖形面積;這里由于混凝土的碳化作用,有效截面扣除平均碳化深度考慮。

fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

γd——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系數(shù)。

3.2.2 計(jì)算工況

計(jì)算時(shí)考慮兩種工況:1.空槽+風(fēng)荷載;2.滿槽(現(xiàn)狀過(guò)水流量12m3/s)+風(fēng)荷載。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算所取剖面位置見(jiàn)圖3-3。根據(jù)附圖中的應(yīng)力圖可以看出,排架柱和拱圈結(jié)合部位應(yīng)力較大,存在應(yīng)力的奇異點(diǎn),對(duì)應(yīng)力進(jìn)行削峰后按照主應(yīng)力公式對(duì)鋼筋面積進(jìn)行計(jì)算。

按照主應(yīng)力公式對(duì)鋼筋面積進(jìn)行計(jì)算,得出的計(jì)算鋼筋面積見(jiàn)表3-1和表3-2(表中有效截面按照扣除平均碳化深度的截面考慮)?？梢钥闯鲈诂F(xiàn)狀過(guò)水流量時(shí),不考慮溫度變化,計(jì)算鋼筋面積與實(shí)配鋼筋面積相當(dāng),但小于設(shè)計(jì)鋼筋面積。

表3-1 空槽＋風(fēng)荷載工況各截面應(yīng)力表

表3-2 滿槽＋風(fēng)荷載工況各截面應(yīng)力表

圖3-1 二郎坪渡槽有限元模型(側(cè)視)

圖3-2 二郎坪渡槽有限元模型(正等視)

圖3-3計(jì)算剖面位置示意圖

綜上所述,在計(jì)算中所采用的鋼筋銹蝕量及混凝土碳化深度均為統(tǒng)計(jì)分析后得出的結(jié)論,在渡槽局部混凝土碳化深度及鋼筋銹蝕量均大于計(jì)算采用的數(shù)值,但在一些部位鋼筋銹蝕和混凝土碳化深度比計(jì)算采用值又小,鋼筋銹蝕量和混凝土碳化深度分布情況不均勻。渡槽(特別是拱肋)局部部位承載能力已達(dá)到極限狀態(tài)。同時(shí),表3-1和表3-2中也可以看出計(jì)算的最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)大多超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度(200#混凝土極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.43Mpa,150#混凝土極限抗拉強(qiáng)度1.16MPa),結(jié)構(gòu)中如配筋量不夠?qū)?huì)出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂的現(xiàn)象。渡槽雖可在現(xiàn)狀流量下可維持運(yùn)行,但計(jì)算中未考慮溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響,如果遇到極端氣候,溫度應(yīng)力將使結(jié)構(gòu)變得更為不安全。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)上述檢測(cè)成果及計(jì)算分析,可以得出如下結(jié)論及建議:

由于該渡槽原設(shè)計(jì)及施工等先天不足,現(xiàn)老化病害嚴(yán)重,約有65%以上的構(gòu)件為二、三類(lèi)構(gòu)件,且支墩、拱波及拱上立柱等主要構(gòu)件存在多條結(jié)構(gòu)裂縫,危害性極大,嚴(yán)重危及建筑物安全。

渡槽復(fù)核計(jì)算表明:渡槽在現(xiàn)狀輸水工況下(Q＝12m3/s)處于不安全運(yùn)行狀況。渡槽(特別是拱肋)局部部位承載能力已達(dá)到極限狀態(tài)。同時(shí),計(jì)算的最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)大多超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)中配筋量不夠?qū)е禄炷灵_(kāi)裂。渡槽雖在現(xiàn)狀流量下可維持運(yùn)行,但計(jì)算中未考慮溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響,如果遇到極端氣候,溫度應(yīng)力將使結(jié)構(gòu)變得更為不安全。

根據(jù)對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果分析和計(jì)算,該渡槽的結(jié)構(gòu)是不安全的,渡槽的極端氣候等特殊工況下,須控制運(yùn)行、加強(qiáng)觀測(cè)。為了徹底消除安全隱患,建議將該渡槽拆除重建。