基于METS理論的渡槽結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測研究

張藝瓊

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽110166）

1 工程背景

遼寧省燈塔灌區(qū)始建于1974 年，建成后成為遼寧省中部地區(qū)重要的商品糧生產(chǎn)基地[1]。灌區(qū)的總干渠長43.5 km，控制流域面積約420 km2，水資源總量為3.13 億m3，可以使10 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)近26.4 萬人受益。由于灌區(qū)建成運行時間較長且始建標準不高，其損毀比較嚴重，對灌區(qū)功能的發(fā)揮造成明顯制約。因此，遼寧省及當?shù)卣e極籌措資金進行灌區(qū)的節(jié)水改造工程[2]。其中，總干渠范官渡槽移址重建工程，在原渡槽下游13 m 處，軸線平行布設(shè)。混凝土是渡槽等水利工程建設(shè)中的主要材料，具有價格低廉、施工方便以及抗?jié)B性能好的特點[3]。但是，渡槽建筑物需要在復雜的介質(zhì)環(huán)境下長期服役，確定其結(jié)構(gòu)的最大性價比使用時間，對提高工程的安全性，有效避免人力和財力浪費具有重要的意義和價值[4]。在工程設(shè)計的前期調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，燈塔灌區(qū)原有渡槽的力學特征參數(shù)與室內(nèi)試驗推算的結(jié)果存在比較明顯的差距。究其原因，主要是室內(nèi)試驗僅可以考慮少數(shù)幾個關(guān)鍵因素的影響，而無法模擬實際工程應(yīng)用中的復雜環(huán)境。因此，此次研究基于METS（Multiple environ?mental time similarity theory）理論，有效利用室外建筑耐久劣化規(guī)律與室內(nèi)試驗過程中的劣化規(guī)律，推算出目標建筑物的精確使用壽命。

2 室內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)及回歸分析

2.1 室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)及回歸分析

研究中以新建范官渡槽為目標建筑物，選取總干3 號渡槽、二期總干4 號渡槽、3 號支渠5 號渡槽、11 號支渠1 號渡槽以及二期總干9 號渡槽等5個不同服役年限的典型渡槽為對照建筑物展開研究。通過對上述建筑物的設(shè)計資料和實地調(diào)查，獲得其材料的選擇和配合比，根據(jù)上述結(jié)果，設(shè)置如表1 所示的3 組不同配合比的試件進行室內(nèi)快速凍融試驗，獲取不同組別試件的動彈性模量以及抗壓指標。

表1 試件配合比分組實驗設(shè)計

利用Origin9.0 軟件對上述指標的變化過程進行擬合，獲取其衰減變化的實際規(guī)律[5]。在擬合過程中，結(jié)合相關(guān)研究成果，采用如下的二次擬合關(guān)系[6]：

式中：Ed為試件的動彈性模量，MPa；σn試件的抗壓強度，MPa；n 為凍融試驗次數(shù)；a，b，c，e，f，g 為擬合系數(shù)。

擬合結(jié)果如圖1 和圖2 所示。由圖1 可知，動彈性模量擬合曲線斜率最小的是A 組試件，其余兩組在前75 次實驗的結(jié)果基本相同，之后開始出現(xiàn)差異，且C 組的損失較小。從圖2 可以看出，3組試件的抗壓強度隨著水灰比的增大而增大，其下降的速率比較接近。相對而言，抗壓強度維持時間最長的是C 組試件，可以經(jīng)受約200 次的凍融循環(huán)試驗。

圖1 室內(nèi)試驗動彈性模量擬合曲線

圖2 室內(nèi)試驗抗壓強度擬合曲線

2.2 室外試驗數(shù)據(jù)及回歸分析

采用回彈法對目標建筑物和對照建筑物的6個典型測試區(qū)進行回彈試驗，利用超聲波對渡槽結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進行無損檢測，以獲取實際工程背景下不同服役年限渡槽的力學性能結(jié)構(gòu)損壞狀態(tài)。基于試驗數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場建筑的抗壓強度和超聲波波速的擬合，擬合公式仍舊采用類似于式（1）的二次表達式，擬合結(jié)果如圖3 和圖4 所示。由圖3 可知，擬合公式可以較好地反映渡槽結(jié)構(gòu)的抗壓強度與服役時間之間的變化規(guī)律，而5～35 年的黃金服役期內(nèi)，渡槽的排架是導致整體破壞的主要部位。由圖4 可知，渡槽的排架狀態(tài)相對較差，在印證抗壓強度結(jié)果的同時也說明排架是影響整個渡槽服役年限的關(guān)鍵因素。

圖3 室外試驗抗壓強度擬合曲線

圖4 室外試驗超聲波波速擬合曲線

3 渡槽結(jié)構(gòu)可使用壽命預(yù)測

3.1 多重環(huán)境時間相似理論

相似理論的研究對象為同類現(xiàn)象，是說明自然界和工程街中各類相似現(xiàn)象及其原理的學說[7]。該理論認為同類現(xiàn)象滿足同一規(guī)律的相似，則2 個研究對象的無量綱方程組與條件相同，其解也相同。相似理論的核心是3 個主要定理，其基礎(chǔ)為現(xiàn)象相似的定義，自然界中存在的現(xiàn)象所涉及的各物理量的變化受制于主宰這種現(xiàn)象的客觀規(guī)律，且這種規(guī)律不會任意變化。相似現(xiàn)象中所有涉及的物理量屬于客觀存在的，與測量方式和單位無關(guān)[8]。

此次研究以上述相似理論為基礎(chǔ)，通過對比分析、經(jīng)驗預(yù)測等各種方法的綜合運用，提出了基于相似系數(shù)推導目標建筑物使用壽命的多重環(huán)境相似理論（METS）。該理論不同于傳統(tǒng)相似理論的是，將第三方參照物納入考慮體系，不僅可以獲得更為符合實際的時間相似關(guān)系，有效避免耐久性參數(shù)在時間序列方面出現(xiàn)比較大的誤差。同時，該理論還可以綜合考慮混凝土材料參數(shù)的影響。目前，混凝土耐久性衰減研究方面的諸多推算公式，大多數(shù)是針對某一項或幾項混凝土參數(shù)提出的，難以滿足實驗過程中的相似性要求，也難以獲取準確的結(jié)果。利用METS 方法，混凝土結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)現(xiàn)場侵蝕環(huán)境與室內(nèi)加速試驗中的各項指標在時間序列方面的相似關(guān)系，進而通過室內(nèi)試驗中的混凝土試件在相關(guān)指標上的衰變關(guān)系，對實際服役條件下的衰變規(guī)律進行準確推斷，進而獲取更為精確的建筑物使用壽命，其預(yù)測原理如圖5 所示。

圖5 METS 原理示意圖

3.2 新建渡槽壽命預(yù)測

研究中基于METS 原理，以實測獲取的5 個對照建筑物各部位的耐久性參數(shù)，對室內(nèi)試驗中獲取的混凝土試件的耐久性參數(shù)進行修正。在修正過程中，將抗壓強度作為主要修正參數(shù)，將相對動彈性模量和超聲波波速作為修正過程中的輔助參數(shù)。其中，目標與對照建筑物的抗壓強度相似率計算公式：

式中：θYA( t )，θYB分別為目標建筑物和對照建筑物的時間相似系數(shù)；YA( t )，YB( t )分別為目標建筑物和對照建筑物的室內(nèi)試件現(xiàn)場抗壓強度，MPa；YA′( t )，YB′( t )分別為與目標建筑物和對照建筑物對應(yīng)的室內(nèi)試件抗壓強度，MPa。

根據(jù)相關(guān)研究文獻，中國北方寒區(qū)的年均凍融循環(huán)次數(shù)為116 次，而室內(nèi)試驗過程中的一次凍融循環(huán)相當于現(xiàn)場環(huán)境下的10～15 次凍融循環(huán)。基于上述成果，利用上述公式進行計算，獲得表2的相似率計算結(jié)果。

表2 渡槽各部位相似率計算結(jié)果

關(guān)于利用試件的抗壓強度損傷率對混凝土結(jié)構(gòu)損傷進行判斷方面并沒有明確的研究成果和依據(jù)，因此文章研究利用GB 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》中的相關(guān)規(guī)定，認為相對動彈膜損失至原來的60%時，即認為試件開始產(chǎn)生明顯損壞。基于上述標準，研究中將抗壓強度值和超聲波波速等試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯訌椥阅Ａ浚M而轉(zhuǎn)換為實際環(huán)境中的凍融次數(shù)，最終確定出建筑物的實際使用壽命。基于以上方法，推算出新建范官渡槽排架和槽身部位的可使用壽命分別為67.53 年和69.10 年。因此，最終確定渡槽的整體使用壽命為67 年。

研究中，還利用了傳統(tǒng)的威布爾分布方法和有限元分析法對目標建筑物在凍融環(huán)境下的使用壽命進行預(yù)測計算，結(jié)果為72 年和70 年。顯然，與上述計算結(jié)果相比，文章基于METS 理論的計算結(jié)果相對保守。究其原因，主要是此次研究著重考慮了室內(nèi)試驗和實際工程之間的相似和轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時還積極借助工程經(jīng)驗和試驗結(jié)果。因此可以最大限度保證客觀性條件在渡槽壽命預(yù)測過程中的作用發(fā)揮，進而在預(yù)測結(jié)果的準確性和實用性方面得到更多保證。

4 結(jié)語

文章研究以遼寧省燈塔灌區(qū)新建范官渡槽為例，基于室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，利用METS 方法，對渡槽的使用壽命進行預(yù)測研究，結(jié)果顯示渡槽的使用壽命為67 年。由于文章研究中將渡槽分為排架和槽身兩部分進行研究，因此研究結(jié)果更符合實際工程的使用環(huán)境，因此給出的服役時間更為具體和明確。在服役期內(nèi)，可以根據(jù)危險部位采取具體的維護措施，大幅節(jié)約維護成本，實現(xiàn)渡槽運行和管理性價比優(yōu)化。當然，渡槽結(jié)構(gòu)的劣化是一個十分復雜的過程，在后續(xù)研究中，要進一步改進試驗方案，提高試驗數(shù)據(jù)和預(yù)測的準確度。