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,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。中國修建渡槽也有悠久的歷史，據記載，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，渡槽運行中出現了不同程度的開裂、滲漏及變形等現象[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，采用現場質量檢測、現場載荷試驗和三維有限元方法，對渡槽進行質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律。

現階段，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狀，同時還有部分渡槽設計資料存在遺失的現象。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，經數據處理后形成實體模型再進行三維數值計算，實現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。渡槽現狀照片見圖1所示。

圖1 渡槽現狀Fig.1 Present situation of aqueduct

2 渡槽安全檢測

通過渡槽的外觀質量檢測，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象。

根據文獻[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取0.9[11]，由表可見，各構件現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 三維激光掃描及數據處理

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 數據處理

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

圖4 三維激光掃描數據處理流程Fig.4 3-D laser scanning data processing flow

3.3 模型精度分析

根據已知的設計資料以及現場測量結果，模型精度檢測成果見表2所示。由表可以看出，模型尺寸與設計或實測值基本相當，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節點四面體單元143 582個，見圖5。各構件現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，最大撓度出現在拱頂中肋，為5.71 mm，遠小于規范允許最大撓度27.5 mm(L/800)。

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

4.2 結構穩定性復核

該渡槽為雙曲拱渡槽，結構的整體穩定性主要取決于主拱圈，因此有必要對主拱圈進行穩定性復核。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，主拱圈縱向穩定性滿足規范要求。

表4 主拱圈縱向穩定性安全系數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，經數據處理后形成實體模型再進行三維數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，且主拱圈縱向穩定性滿足規范要求，因此認為渡槽支承結構整體仍處于安全狀態。

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