混凝土損傷對節制閘閘室體系可靠度的影響

楚萬強 秦凈凈,2

（1.黃河水利職業技術學院 水利工程學院， 河南 開封 475000； 2.開封市軟基工程結構分析評價工程技術研究中心， 河南 開封 457000）

0 引言

我國大部分水閘建于20 世紀60-70年代，水閘在服役期間，閘基的土質參數、水位參數等是依賴于時間參數的隨機變量，閘室體系的可靠性呈現一個動態變化過程[1-3]。同時，由于混凝土材料的高離散型，宏觀上表現為材料特性的統計漲落，在廣義荷載效應作用下，材料內部結構發生損傷并演化進而影響結構安全運行[4-5]。因此，為使這種不確定在機理上更符合實際實際情況，有必要在水閘體系可靠度分析中考慮損傷效應。

損傷因子法計法目前主要應用于重力壩穩定可靠度分析[6-7]，而此方法在水閘工程中的應用較少。為此，本文基于損傷理論，在水閘閘室常規可靠度分析中考慮混凝土損傷劣化對材料性能的影響，引入損傷因子，建立混凝土損傷后的剩余強度概率模型，探討閘基土質參數變異敏感性，以期更能符合實際工程，研究成果可為在役水閘的安全評定、加固決策以及壽命預測提供理論依據。

1 工程實例

某開敞式節制閘，閘室順水流方向長12m，底板厚1.0m，上下游端各設置一個深0.7m 淺齒墻。閘室為5 孔，閘孔總凈寬15m，每孔凈寬3m，邊墩厚0.7m，中墩厚1.0m。閘墩頂部高程68.86m，閘墩上部設置排架，排架高度3.5m，排架上設置工作橋和啟閉機房，交通橋布置在閘室下游側，橋面凈寬4.5m，總寬5.1m，檢修便橋布置在閘室工作橋上游側，總寬1.4m，凈寬0.8m，鋼筋混凝土板式結構。

1.1 計算參數

本文不考慮浪壓力、泥沙壓力及地震作用，取水閘結構自重、閘室上下游水壓力、閘底板與地基間的摩擦力、地基粘聚力、地基基承載力為隨機變量，參數統計如表1 所示。

表1 隨機變量參數統計

上游水位（m） 正態分布 2.15 0.08 摩擦系數 正態分布 0.3 0.15 地基粘聚力（kpa） 正態分布 20.1 0.21 地基承載力（kpa） 正態分布 125 0.25

1.2 閘室體系可靠指標

用Monte-carlo 法編制程序計算正常蓄水情況下四種單一失效模式可靠度指標，將四種失效模式視為串聯系統，利用PNET 法得到體系可靠度指標，見表2。該閘為一級建筑物，閘室按第二類破壞對待，對應二類破壞βT=3.7，對應pf=1.08×10-4。由表可以看出，水閘系統失效概率略高于目標失效概率，滿足要求；若考慮水閘閘室各單元間聯系、灌縫等因素, 水閘的結構體系可靠指標將有更大幅度增加。

表2 閘室可靠度計算結果

1.3 混凝土不同程度損傷對閘室可靠度指標的影響

根據河海大學斷裂與損傷課題組研究[12]，混凝土指數函數損傷模型參數如下D0=0.05，Df=0.1，εf=0.9×10-4，εu=6.87×10-4，B=3.85，C=1.25，在不考慮混凝土損傷時產生的水壓力對水閘閘室的影響的情況下，4 種失效模式可靠度指標隨混凝土損傷程度的變化見圖1-4。由圖可知，4 種失效模式可靠度指標均隨混凝土損傷程度的增加而減小；當損傷由D=0.05 增加到D=0.5，閘基抗滑穩定可靠度指標由3.76 降至3.17，壩趾抗壓強度可靠度指標值由4.12 降至3.59，壩踵抗拉強度可靠度指標值由4.47 降至3.92，上下游應力比 可靠度指標值由3.86 降至3.21，其中，上下游應力比對損傷因子變化最敏感，因為混凝土損傷相當于對水閘又加載了一個水壓力，上下游應力比波動更大；在損傷D＜0.1 時，混凝土損傷發展很慢，四種失效模式的可靠度指標相較無損傷下降的比率小，在在損傷D＞0.1 時，損傷發展速率很快，四種失效模式的可靠度指標比無損傷下降的比率大，說明水閘建成初級階段所形成的初級損傷對閘室體系可靠度指標影響小，隨著水閘的運行，混凝土損傷加大，可靠指標不斷下降。

圖1 閘基面抗滑可靠度指標隨損傷程度的變化

圖2 壩趾抗壓強度可靠度指標隨損傷程度的變化

圖3 壩踵抗拉強度可靠度指標隨損傷程度的變化

圖4 上下游應力比可靠度指標隨損傷程度的變化

1.4 材料變異性對閘室體系可靠度的影響

變異系數在概率統計中反映了一個變量的離散程度，變異系數不同，得出的可靠指標有差異。變量摩擦系數、粘聚力的隨機特性對失效模式的可靠性指標影響甚大，是影響水閘穩定的關鍵參數，因此，考慮損傷變量為隨機變量時，取均值為0.35，變異系數為0.1，并假設其為正態分布，對摩擦系數、粘聚力不同均值和不同變異系數對閘室體系可靠度指標的影響見表3、4 所示。

表3 不同摩擦系數、粘聚力均值的閘室體系可靠度指標Tab.3 Reliability index of the lock chamber system with different friction coefficient and average value of cohesion

表4 不同摩擦系數、粘聚力變異系數的閘室體系可靠度指標Tab.4 Reliability index of lock chamber system with different friction coefficient and cohesion variation coefficient

從表3、4 可以看出，考慮損傷后，隨著摩擦系數和粘聚力的變化結構體系的可靠指標相比不考慮損傷時均下降，且變異系數越大，兩者相差的趨勢越明顯；材料均值的變化對可靠指標的結構體系可靠度計算結果影響不顯著，但是材料的變異系數發生微小變化時，可靠指標的計算結果會發生較大的變化，且變異系數越大，可靠指標越小，其中粘聚力變異系數的變化對可靠指標的影響大于摩擦系數。因此，粘聚力變異系數屬于敏感因素，在實際工程中應謹慎取值、論證合理。

2 結論

本文基于可靠度理論和損傷力學概念建立閘室混凝土的一般損傷演變模型，為水閘閘室的壽命評估提供一個新思路和方法，并探討損傷因子對四種失效模式的影響以及材料變異性對閘室體系可靠度影響，得出以下結論：

（1）混凝土的初級損傷隨水閘運行性能影響小，但隨著混凝土損傷累積，水閘閘室體系可靠指標逐漸減小，后期應進行混凝土的加固。

（2）閘基摩擦系數和粘聚力的均值對閘室體系可靠度指標影響微小，但粘聚力的變異系數是敏感因素。