二郎坪渡槽結構安全復核分析

何博

(湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北武漢 430070)

二郎坪渡槽結構安全復核分析

何博

(湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北武漢 430070)

針對渡槽裂縫、碳化、缺陷等進行了檢測,評價了裂縫和缺陷等原因對結構安全的影響,為復核計算提供了參數,對渡槽除險改造提出了設計方案。可供同類渡槽工程安全運行和改造方案借鑒。

二郎坪渡槽 工程安全 復核

1 工程簡況

二郎坪渡槽是東風灌區總干渠上的一座輸水構筑物,地處宜昌市夷陵區,是用于宜昌市城鎮供水、農田灌溉及水力發電、泄洪等重要設施。該渡槽于1970年建成并投入使用,至今已運行40余年。渡槽位于總干渠樁號25+876—26+153.5,全長277.5m,上游進口槽底高程為208.89m,出口槽底高程208.585m,坡降為1/910,設計流量為15m3/s。

二郎坪渡槽的結構形式為雙曲拱肋結構,全長共分七跨,每跨擱置四節槽身。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#砼現澆,拱頂最薄處厚0.06m。主拱圈總寬度為5.4m。單跨拱為對稱結構,1/2跨主拱圈上設有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,混凝土設計強度等級為150#。

渡槽槽身過水斷面為矩形,每段槽身長9.5m,槽身凈寬約4.85m,槽身側墻高約1.75m,側墻厚200mm～240mm,混凝土設計強度等級為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,工程出現嚴重老化及結構損壞現象,如混凝土結構碳化嚴重,銹脹裂縫較為普遍,主要受力構件開裂,局部受力鋼筋裸露銹蝕,破損嚴重,已危及工程安全。

2 結構檢測

檢測資料反映,槽身、支墩、拱波及拱上立柱等構件存在多條裂縫。槽身共有42條裂縫,裂縫總長80.89m,其中側墻36條,裂縫長51.58m,底板6條,裂縫長29.31m,均為貫穿或深層裂縫。1#～6#支墩中部兩側均存在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151.15m。另外,槽身側壁新、老混凝土之間存在較長水平方向施工冷縫,兩拱波頂部均存在不同程度的縱向裂縫,拱上立柱為預制砼管做外模,內充填混凝土,現約有2/5斷裂。

混凝土構件的碳化深度也較大,這些構件最小碳化深度為7.0mm,最大的已達到22.0mm。構件因碳化原因產生局部破損露筋和銹脹裂縫,這也說明部分混凝土碳化深度已達到或超過其實際鋼筋保護層厚度。

對混凝土內部鋼筋銹蝕檢測采用無損與有損相結合的方法,前者主要是定性檢測即鋼筋的銹蝕程度,后者主要是定量檢測,即鋼筋的蝕余直徑。

定量檢測即對因破損直接暴露于空氣中的鋼筋或對表面完好的混凝土鑿開,除去鋼筋表面銹皮后,利用數顯千分尺直接測量。共抽檢12個檢測數據,對比圖紙后發現,最小銹蝕量為0.6mm,最大銹蝕量為1.2mm,平均銹蝕量為0.9mm,為復核計算提供依據。

3 復核計算

3.1 計算說明

經分析,渡槽結構形式可分解為槽身、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,故考慮整個結構一起建模進行計算。

初步檢測數據表明,渡槽拱肋和拱波鋼筋部分銹蝕,混凝土碳化深度約2cm。現場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。以上說明拱肋、拱波及立柱對渡槽結構安全有很大影響。

本報告采用ANSYS有限元程序對渡槽結構進行復核。在保證盡可能模擬現狀的前提下,對渡槽結構進行簡化,計算時取拱肋、拱波、立柱、上部渡槽及支墩作為計算模型。

計算截面是根據檢測結果扣除碳化深度之后的截面。計算成果中應力值除特別說明外均為拉應力。

3.2 結構計算

渡槽現狀供水流量為12m3/s,設計流量為15m3/s,基本風壓采用《建筑結構荷載規范》(GB50009-2001)宜昌地區的基本風壓。

3.2.1 計算模型及荷載選取

計算模型中拱圈和立柱聯結成整體,拱波上砌石體重量和水重及風荷載作為外荷載加入。

渡槽計算模型見圖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,模型中取一半對稱結構進行計算。兩端采用鏈桿約束、支墩底部采用全約束。

計算模型中,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。

計算模型所受外荷載為水重及風荷載。結構自重由程序自動計算。

根據《水工建筑物荷載設計規范》(DL5077-1997),風荷載可按下式計算:

式中,Wk——風荷載標準值;

Βz——z高度處的風振系數;

μz——風壓高度變化系數;

μ0——風荷載體型系數;

w0——基本風壓。

查《建筑結構荷載規范》(GB50009-2001)宜昌地區的基本風壓為0.3KPa,風振系數取1.0;風荷載體型系數取1.3;風壓高度變化系數近似取1.4。

根據有限元計算的應力結果計算鋼筋混凝土結構的配筋量,依據《水工混凝土結構設計規范》(DL/T5057-1998)中公式:

受拉鋼筋的截面面積As應滿足以下要求:

T≤(0.6Tc+fyAs)

式中,T——由荷載設計值確定的彈性縱拉力(包含結構重要系數及設計狀況系數)確定的總拉力,T=Ab,在此A為彈性應力圖中拉應力圖形的總面積,b為結構截面寬度;

Tc——混凝土承擔的拉力,Tc=Actb,Act為彈性應力圖中主拉應力值小于軸心抗拉設計值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——鋼筋抗拉強度設計值;

γd——鋼筋混凝土結構的結構系數。

3.2.2 計算工況

計算時考慮兩種工況:1.空槽+風荷載;2.滿槽(現狀過水流量12m3/s)+風荷載。

3.2.3 計算結果及分析

計算所取剖面位置見圖3-3。根據附圖中的應力圖可以看出,排架柱和拱圈結合部位應力較大,存在應力的奇異點,對應力進行削峰后按照主應力公式對鋼筋面積進行計算。

按照主應力公式對鋼筋面積進行計算,得出的計算鋼筋面積見表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)。可以看出在現狀過水流量時,不考慮溫度變化,計算鋼筋面積與實配鋼筋面積相當,但小于設計鋼筋面積。

表3-1 空槽＋風荷載工況各截面應力表

表3-2 滿槽＋風荷載工況各截面應力表

圖3-1 二郎坪渡槽有限元模型(側視)

圖3-2 二郎坪渡槽有限元模型(正等視)

圖3-3計算剖面位置示意圖

綜上所述,在計算中所采用的鋼筋銹蝕量及混凝土碳化深度均為統計分析后得出的結論,在渡槽局部混凝土碳化深度及鋼筋銹蝕量均大于計算采用的數值,但在一些部位鋼筋銹蝕和混凝土碳化深度比計算采用值又小,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到極限狀態。同時,表3-1和表3-2中也可以看出計算的最大主應力(拉應力)大多超過混凝土抗拉強度(200#混凝土極限抗拉強度標準值1.43Mpa,150#混凝土極限抗拉強度1.16MPa),結構中如配筋量不夠將會出現混凝土開裂的現象。渡槽雖可在現狀流量下可維持運行,但計算中未考慮溫度變化對結構安全的影響,如果遇到極端氣候,溫度應力將使結構變得更為不安全。

4 結論及建議

通過上述檢測成果及計算分析,可以得出如下結論及建議:

由于該渡槽原設計及施工等先天不足,現老化病害嚴重,約有65%以上的構件為二、三類構件,且支墩、拱波及拱上立柱等主要構件存在多條結構裂縫,危害性極大,嚴重危及建筑物安全。

渡槽復核計算表明:渡槽在現狀輸水工況下(Q＝12m3/s)處于不安全運行狀況。渡槽(特別是拱肋)局部部位承載能力已達到極限狀態。同時,計算的最大主應力(拉應力)大多超過混凝土抗拉強度,結構中配筋量不夠導致混凝土開裂。渡槽雖在現狀流量下可維持運行,但計算中未考慮溫度變化對結構安全的影響,如果遇到極端氣候,溫度應力將使結構變得更為不安全。

根據對渡槽結構的現場檢測結果分析和計算,該渡槽的結構是不安全的,渡槽的極端氣候等特殊工況下,須控制運行、加強觀測。為了徹底消除安全隱患,建議將該渡槽拆除重建。