基于三維激光掃描的老舊渡槽結構性能安全評估

黃君寶，鄧成發(fā),2

(1. 浙江省水利河口研究院，杭州 310020；2. 浙江省水利防災減災重點實驗室，杭州 310018)

0 引 言

渡槽是一種輸送渠道水流而跨越河渠、溪谷、洼地、道路等的架空輸水建筑物。世界上最早的渡槽誕生于中東和西亞地區(qū)。中國修建渡槽也有悠久的歷史，據(jù)記載，西漢時修渠所建的“飛渡”即為渡槽，距今約2000年[1]。

我國20世紀50-80年代修建了大量渡槽，目前仍有相當一部分渡槽仍在承擔輸水任務。由于建設年代久，加之當時設計標準低，渡槽運行中出現(xiàn)了不同程度的開裂、滲漏及變形等現(xiàn)象[2,3]，嚴重影響渡槽的運行安全，因此對這些老舊渡槽進行安全評價是目前急需開展的工作。由于目前尚缺乏渡槽安全評價的相關標準或規(guī)范，同時考慮到渡槽本身的結構特性，較多學者采用有限元法對渡槽進行結構安全分析[4-6]。汪興萌等[7]對運行28年的U型渡槽進行了外觀質(zhì)量、混凝土強度及混凝土碳化深度等檢測，并建立了ANSYS有限元計算模型，分析了渡槽各控制截面內(nèi)力值。宋志鵬[8]等以建成57年的拱形渡槽為研究對象，采用現(xiàn)場質(zhì)量檢測、現(xiàn)場載荷試驗和三維有限元方法，對渡槽進行質(zhì)量檢測和整體結構的靜力、動力安全性評價。鄭重陽[9]等采用三維有限元軟件對矩形渡槽的受力性能進行了模擬，研究了渡槽槽身各控制斷面的應力及變形分布規(guī)律。

現(xiàn)階段，渡槽有限元計算時基本采用原設計資料進行建模，由于渡槽在運行多年后槽身及支承結構可能已發(fā)生變形，因此采用原設計資料建模顯然不能反映渡槽實際現(xiàn)狀，同時還有部分渡槽設計資料存在遺失的現(xiàn)象。本文以運行40年的雙曲拱渡槽為例，采用三維激光掃描技術對渡槽進行實景復制，建立渡槽三維點云模型，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后形成實體模型再進行三維數(shù)值計算，實現(xiàn)了渡槽結構的安全性評估，為類似工程提供參考。

1 工程概況

大塘口渡槽是一座修建于1978年的空腹式雙曲拱渡槽。槽身為有拉桿加肋矩形槽，凈寬3.82 m，凈深2.5 m，拉桿間距1.95 m。渡槽拱架采用三肋二波，主拱圈采用等截面懸鏈線，凈跨22.0 m，共3跨；腹拱采用連續(xù)微彎拱，凈跨2.0 m。渡槽全長108.9 m，設計流量16.5 m3/s，加大流量為18.0 m3/s。渡槽現(xiàn)狀照片見圖1所示。

圖1 渡槽現(xiàn)狀Fig.1 Present situation of aqueduct

2 渡槽安全檢測

通過渡槽的外觀質(zhì)量檢測，目前渡槽存在槽身接縫處滲漏較嚴重，槽板表面裂縫以及橫隔板與邊肋連接處開裂破損等現(xiàn)象。

根據(jù)文獻[10]對渡槽進行混凝土抗壓強度(回彈法)檢測，結果見表1所示。由于渡槽運行年代較久，回彈值齡期修正系數(shù)取0.9[11]，由表可見，各構件現(xiàn)齡期混凝土抗壓強度推定值均符合設計要求。

表1 混凝土抗壓強度推定值檢測結果Tab.1 Test results of concrete strength

碳化深度檢測表明，各構件均存在一定程度碳化現(xiàn)象，其中槽板碳化深度相對較大(36.6～46.1mm)，接近鋼筋保護層厚度(52～68 mm)，其他構件炭化深度在3.1～9.7 mm，碳化深度均明顯小于鋼筋保護層厚度。

3 三維激光掃描及數(shù)據(jù)處理

3.1 三維激光掃描

由于渡槽原設計資料缺失，無法進行結構建模，故采用德國Z+F 5010C激光掃描儀進行三維掃描，該儀器特性指標主要為：最大測程187.3 m，最小測程0.3 m，分辨率0.1 mm，垂直視野范圍320°，水平視野范圍360°。三維激光掃描儀見圖2所示，第1跨三維掃描結果見圖3所示。

圖2 三維激光掃描儀Fig.2 Three-dimensional laser scanner

圖3 第1跨三維點云圖Fig.3 3d point Cloud of first span aqueduct

3.2 數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描的數(shù)據(jù)處理流程見圖4所示。首先對不同站點的原始點云數(shù)據(jù)進行配準，經(jīng)精簡、去噪、濾波等數(shù)據(jù)處理后，再利用逆向工程軟件，如Geomagic對點云進行特征分析和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)離散點云數(shù)據(jù)的NURBS曲面重構和三維重建。

圖4 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 3-D laser scanning data processing flow

3.3 模型精度分析

根據(jù)已知的設計資料以及現(xiàn)場測量結果，模型精度檢測成果見表2所示。由表可以看出，模型尺寸與設計或?qū)崪y值基本相當，模型精度總體較高，滿足計算要求。

4 渡槽結構安全評估

4.1 三維有限元計算分析

4.1.1 有限元模型

將重建后三維模型導入有限元軟件后進行網(wǎng)格劃分。由于渡槽在結構上具有對稱性，為縮短計算時間，同時基于偏安全角度考慮，本次僅對第1跨進行建模分析，共劃分4節(jié)點四面體單元143 582個，見圖5。各構件現(xiàn)齡期混凝土抗壓強度推定值均滿足設計要求，因此計算模型中彈性模量均采用設計彈性模量。

表2 模型精度檢測成果Tab.2 Achievements of model accuracy detection

圖5 渡槽有限元分析模型Fig.5 Finite element analysis model of aqueduct

4.1.2 計算結果分析

為評價渡槽的最大受力性能，選擇滿槽工況進行計算分析。各控制截面應力計算結果見表3所示，最大主應力、最小主應力云圖見圖6、圖7所示。從圖和表中看出：滿槽工況下主拱圈最大主壓應力為5.185 MPa，出現(xiàn)在中肋上游拱腳，小于混凝土軸心抗壓強度標準(18.7 MPa)；主拱圈最小主拉應力為0.895 MPa，出現(xiàn)在中肋拱頂，小于混凝土的軸心抗拉強度標準值(1.9 MPa)。

表3 各控制截面應力計算值Tab.3 Stress calculated values of control sections

圖6 最大主應力云圖Fig.6 Maximum principal stress nephogram

圖7 最小主應力云圖Fig.7 Minimum principal stress nephogram

圖8為滿槽工況下渡槽撓度云圖。從圖8中可以看出，滿槽工況下主拱圈撓度自拱腳至跨中逐漸增大，最大撓度出現(xiàn)在拱頂中肋，為5.71 mm，遠小于規(guī)范允許最大撓度27.5 mm(L/800)。

圖8 渡槽撓度云圖Fig.8 Deflection nephogram of aqueduct

4.2 結構穩(wěn)定性復核

該渡槽為雙曲拱渡槽，結構的整體穩(wěn)定性主要取決于主拱圈，因此有必要對主拱圈進行穩(wěn)定性復核。主拱圈軸線長度為s，換算為直桿時，長度l0=0.36s，直桿兩端承受的平均軸向壓力Nm計算如下[12]：

(1)

(2)

式中：H為拱腳水平推力，kN；φm為半跨拱的弦與水平線的夾角，°；f為拱圈的計算矢高，m；l為拱圈的計算跨度，m。

計算出的Nm即為換算直桿的軸向力設計值，根據(jù)不同計算工況，再按軸心受壓構件進行正截面受壓承載力計算，結果見表4所示。由表4可見，主拱圈縱向穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

表4 主拱圈縱向穩(wěn)定性安全系數(shù)Tab.4 Safety factor for longitudinal stability of main arch ring

5 結 論

(1)通過三維激光掃描技術建立渡槽三維點云模型，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后形成實體模型再進行三維數(shù)值計算是一種切實可行的方法。

(2)通過三維有限元計算及結構穩(wěn)定性復核，渡槽主拱圈最大主應力、最小主應力及最大撓度均小于設計標準，且主拱圈縱向穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，因此認為渡槽支承結構整體仍處于安全狀態(tài)。

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