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        受腐蝕淺埋污水箱涵結(jié)構(gòu)安全性分析

        2018-08-31 02:01:08路家峰謝永健
        凈水技術(shù) 2018年8期
        關(guān)鍵詞:箱涵頂板污水

        路家峰,李 寧,謝永健

        (上??辈煸O(shè)計(jì)研究院〈集團(tuán)〉有限公司,上海 200093)

        1 概述

        城市污水排放系統(tǒng)是現(xiàn)代化城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,是解決城市生活污水處理和排放、實(shí)現(xiàn)城市健康可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性工程。目前國(guó)內(nèi)早期建成的污水排放干線多采用淺埋式矩形現(xiàn)澆混凝土箱涵。這種現(xiàn)澆混凝土箱涵的結(jié)構(gòu)內(nèi)壁長(zhǎng)期處于污水沖刷的惡劣環(huán)境之下,自身結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象較為普遍,由于結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致路面塌陷等次生災(zāi)害的事件也時(shí)有發(fā)生。鑒于此,分析既有污水箱涵結(jié)構(gòu)的承載能力對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的加固修復(fù)意義重大。

        2 工程概況

        上海某污水排放干線建于20世紀(jì)80年代,運(yùn)行至今已超過(guò)30年,是上海市污水排放重要線路之一。其主體結(jié)構(gòu)采用單孔矩形箱涵,頂部埋深約1.5 m,外包尺寸為3.7 m×2.6 m,內(nèi)凈尺寸為3.2 m×2.1 m,頂部及側(cè)墻設(shè)計(jì)厚度250 mm,腋角設(shè)計(jì)寬度為200 mm。結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土,管節(jié)每節(jié)長(zhǎng)為25 m,下設(shè)有120 mm厚素砼墊層。

        3 結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)狀

        在箱涵結(jié)構(gòu)建成并投入運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中,由于箱涵輸送介質(zhì)的特性,污水以及污水中逸散出來(lái)的硫化氫等氣體均對(duì)弱堿性的混凝土箱涵本體有酸蝕影響,造成箱涵內(nèi)壁混凝土剝落、鋼筋銹蝕,箱涵結(jié)構(gòu)承載力降低。

        圖1為某處地下污水箱涵斷面內(nèi)部拍攝的照片。由圖1可知,箱涵結(jié)構(gòu)頂板由于長(zhǎng)期污水作用,箱涵內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重,表面凹凸不平,銹蝕的鋼筋幾乎處于裸露狀態(tài)。相比于結(jié)構(gòu)頂板,箱涵結(jié)構(gòu)側(cè)墻及底板結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象較少,暫無(wú)結(jié)構(gòu)鋼筋裸露的現(xiàn)象。針對(duì)結(jié)構(gòu)頂板腐蝕嚴(yán)重的情況,對(duì)結(jié)構(gòu)頂板厚度進(jìn)行了實(shí)測(cè),圖2為頂板實(shí)測(cè)厚度示意圖。腐蝕后結(jié)構(gòu)頂板厚為199~220 mm,腐蝕量為30~51 mm。由此可見,污水箱涵結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)局部存在明顯的削弱,有嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全隱患,有必要進(jìn)行針對(duì)性的分析計(jì)算并制定修復(fù)方案。

        圖1 某污水箱涵頂板底面Fig.1 Status of Lower Surface of Sewage Culvert Top Plate

        4 規(guī)范方法結(jié)構(gòu)分析原結(jié)構(gòu)承載力

        由于結(jié)構(gòu)建成時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),部分設(shè)計(jì)資料缺失,且由于設(shè)計(jì)采用的是當(dāng)時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,各項(xiàng)要求與現(xiàn)行規(guī)范存在差異[1]。故首先需根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[2-3]對(duì)本工程既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)分析。靜力計(jì)算分析時(shí),將現(xiàn)澆箱涵結(jié)構(gòu)視為閉合框架,頂板與墻、墻與底板的連接均應(yīng)視為連續(xù)支承,各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)如表1所示。其中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為實(shí)測(cè)推定值。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求得的箱涵結(jié)構(gòu)在滿水帶壓工況和無(wú)水工況下荷載基本組合與標(biāo)準(zhǔn)組合的內(nèi)力彎矩圖如圖3所示。

        圖2 箱涵實(shí)際頂板厚度示意圖Fig.2 Schematic Diagram about Real Thickness of Sewage Culvert Top Plate

        表1 箱涵承載力計(jì)算參數(shù)表Tab.1 Parameters for Calculation of Sewage Culvert Bearing Capacity

        圖3 箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩圖Fig.3 Bending Moment Diagram of Sewage Culvert Structure

        根據(jù)箱涵結(jié)構(gòu)在滿水帶壓和無(wú)水兩種工況下荷載基本組合的彎矩內(nèi)力,按照現(xiàn)行混凝土規(guī)范6.2.10條[4],對(duì)箱涵頂板進(jìn)行配筋驗(yàn)算,計(jì)算結(jié)果如表2所示。根據(jù)當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范所得結(jié)構(gòu)配筋滿足現(xiàn)行規(guī)范承載力要求。根據(jù)現(xiàn)行混凝土規(guī)范7.1.2條[4],按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合彎矩內(nèi)力進(jìn)行最大裂縫寬度驗(yàn)算得wmax=0.244 mm,大于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)非一類環(huán)境裂縫寬度0.20 mm限制,即當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范在對(duì)箱涵裂縫寬度控制方面較現(xiàn)行規(guī)范略有不足。故箱涵結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的原因之一可能是由于微裂縫寬度較大,導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在污水的長(zhǎng)期作用下不斷腐蝕,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)了鋼筋裸露并嚴(yán)重腐蝕的現(xiàn)象。

        表2 箱涵頂板配筋驗(yàn)算Tab.2 Checking Calculation on Reinforcement of Sewage Culvert Top Plate

        5 有限元法分析腐蝕結(jié)構(gòu)承載力

        5.1 混凝土模型及參數(shù)選取

        考慮到本工程既有箱涵情況的特殊性,在有限元數(shù)值分析過(guò)程中,計(jì)算結(jié)果對(duì)箱涵混凝土結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)模型及參數(shù)精確度要求較高,采用簡(jiǎn)單的彈性材料進(jìn)行模擬可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此,本次計(jì)算采用與混凝土材料受力特性近似且與規(guī)范對(duì)應(yīng)較好的混凝土損傷塑性模型模擬箱涵混凝土結(jié)構(gòu)。

        為了驗(yàn)證混凝土模型及參數(shù)的合理性,筆者首先進(jìn)行了受力相對(duì)簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)支鋼筋混凝土梁模擬計(jì)算。簡(jiǎn)支梁截面尺寸為150 mm×300 mm,跨度為2.4 m,混凝土等級(jí)C30,配筋采用2根22 mm的HRB335鋼筋。鋼筋采用理想彈塑性模型,彈性模量為200 GPa,屈服應(yīng)力為335 kPa。C30混凝土塑性損傷模型參數(shù)取值如表3所示[5-6]。

        在簡(jiǎn)支梁頂部施加20 kPa的均布荷載,簡(jiǎn)支梁計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖如圖4所示,跨中截面的混凝土應(yīng)力分布圖如圖5所示。由圖4可知,簡(jiǎn)支梁上部受壓區(qū)壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于混凝土下部拉應(yīng)力,且由于混凝土截面下端進(jìn)入了開裂損傷階段,拉應(yīng)力由上到下逐漸減小,與混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)基本一致。故該混凝土本構(gòu)可較好地模擬混凝土材料的各向異性及開裂特性,適用于本研究的計(jì)算。

        表3 C30混凝土計(jì)算參數(shù)表Tab.3 Parameters of C30 Concrete

        圖4 簡(jiǎn)支梁軸應(yīng)力云圖Fig.4 Axis Stress Nephogram of Simply Supported Beam

        5.2 既有箱涵結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

        本計(jì)算主要用于計(jì)算分析本項(xiàng)目既有結(jié)構(gòu)的承載能力,故有限元模型需根據(jù)箱涵結(jié)構(gòu)當(dāng)前情況進(jìn)行建模,結(jié)構(gòu)頂板厚度近似按實(shí)測(cè)考慮,且由于頂板鋼筋銹蝕嚴(yán)重,頂板下部橫向鋼筋在計(jì)算分析時(shí)不予考慮。

        土層按場(chǎng)地實(shí)際土層考慮,淺部土層情況如表4所示。土層采用摩爾庫(kù)倫模型進(jìn)行計(jì)算。鋼筋采用理想彈塑性模型模擬計(jì)算,彈性模量200 GPa,屈服強(qiáng)度335 MPa。所建立的有限元模型如圖6所示。

        表4 場(chǎng)地土層參數(shù)Tab.4 Parameters of Soil Profile

        圖6 有限元模型示意圖Fig.6 Schematic Diagram about FEM Model

        經(jīng)計(jì)算可知,由于結(jié)構(gòu)頂板鋼筋銹蝕嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)在自重應(yīng)力作用下混凝土拉應(yīng)力已達(dá)到較高水平,但尚未達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度,圖7所示為在地面加載15 kPa均布荷載時(shí)箱涵結(jié)構(gòu)的受力情況,圖8為跨中位置頂板下部混凝土拉應(yīng)力隨加載變化的情況。由圖7和圖8可知,在自重應(yīng)力和上部荷載的作用下,頂板混凝土逐漸達(dá)到抗拉強(qiáng)度并出現(xiàn)開裂損傷,拉應(yīng)力水平下降,開裂范圍擴(kuò)大。

        圖7 箱涵結(jié)構(gòu)水平向應(yīng)力云圖Fig.7 Horizontal Stress Nephogram of Sewage Culvert Structure

        6 結(jié)構(gòu)安全性分析

        對(duì)既有污水箱涵結(jié)構(gòu),通過(guò)箱涵資料搜集、地質(zhì)資料調(diào)查、箱涵結(jié)構(gòu)檢測(cè)、荷載條件復(fù)核、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)計(jì)算分析(包含規(guī)范方法和有限元方法等)等步驟可求得箱涵混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài),再結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)基本原理對(duì)箱涵承載力現(xiàn)狀進(jìn)行初步判別,并采取相關(guān)針對(duì)性修復(fù)建議。

        本箱涵結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕嚴(yán)重且腐蝕現(xiàn)象較為普遍,根據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》(CJJ 181—2012)8.3.1條和8.3.2條,計(jì)算得到管段結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)F為5.0,管段結(jié)構(gòu)性缺陷等級(jí)為Ⅲ級(jí),根據(jù)8.3.4條計(jì)算得到管段修復(fù)指數(shù)RI為4.60,根據(jù)8.3.5條,管段修復(fù)等級(jí)為Ⅲ,應(yīng)盡快修復(fù)。

        從本文所示的力學(xué)角度來(lái)理解,該箱涵頂板由于缺少了下部橫向受拉鋼筋的作用,箱涵結(jié)構(gòu)在可能工況下,當(dāng)上覆荷載增加時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度值后將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)混凝土不斷開裂并退出工作,最終引起結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞狀態(tài)。因此,對(duì)鋼筋嚴(yán)重腐蝕的箱涵應(yīng)盡快進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù),且應(yīng)盡量避免增加箱涵結(jié)構(gòu)上覆荷載。

        7 結(jié)語(yǔ)

        本文結(jié)合實(shí)際工程,提出了應(yīng)用有限元計(jì)算方法分析既有箱涵結(jié)構(gòu)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生局部腐蝕時(shí)的結(jié)構(gòu)承載能力,對(duì)既有破損結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析。通過(guò)研究,得到主要結(jié)論如下。

        (1)部分既有污水箱涵由于建成時(shí)間早,原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低,難以滿足其長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)對(duì)裂縫控制的要求,在腐蝕性污水長(zhǎng)期作用下,結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。

        (2)通過(guò)檢測(cè)、規(guī)范計(jì)算、有限元分析等多種方法結(jié)合,能更可靠地評(píng)價(jià)既有箱涵結(jié)構(gòu)的承載能力及安全狀態(tài)。

        (3)通過(guò)本案例可知,對(duì)特殊環(huán)境下運(yùn)行的結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初,除了需考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常規(guī)問(wèn)題,還應(yīng)充分考慮周圍介質(zhì)和環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期不利作用,采取保護(hù)性措施提高其耐久性,減少后期風(fēng)險(xiǎn)及修復(fù)加固等額外投入。

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