蘇利軍,楊國浩,劉 真
(中水君信工程勘察設計有限公司,成都 610039)
渡槽槽身采用13 cm 厚C25 鋼筋砼U 型薄殼結構,簡支梁式支承,跨度14 m,斷面尺寸4.0 m×2.8 m(寬×高),槽殼內(nèi)徑R0=2 m,直段高度0.6 m,頂部設間距2 m 的0.2 m×0.2 m 的拉桿,設計水深2.2 m,建筑物級別3 級,地震烈度7 度,設計地震加速度0.1 g,槽身斷面圖如圖1所示。根據(jù)前期實體檢測報告,槽身內(nèi)外側混凝土碳化深度為5~21 mm;槽身內(nèi)外保護層厚度為20~39 cm,且局部脫落出現(xiàn)露筋,不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求;實測混凝土平均強度21.35 MPa,不滿足現(xiàn)行規(guī)范對渡槽槽身混凝土最低強度等級C25 的要求。參照DL/T 5251—2001《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術規(guī)程》規(guī)定,渡槽槽身鋼筋銹蝕屬于C 類銹蝕。參照JGJ 125—2016《危險房屋鑒定標準》,槽身評定為危險點。參照《水閘安全監(jiān)測與評估分析》,當保護層存在局部脫落時,鋼筋截面損失率為5%~20%,建議本槽身混凝土結構鋼筋截面損失率按20%進行復核。

圖1 渡槽槽身結構圖
根據(jù)SL 482—2011《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》,梁式渡槽跨寬比小于4 時,應按空間問題采用彈性力學方法計算。根據(jù)SL 191—2008《水工混凝土結構設計規(guī)范》,當渡槽槽身的計算跨度L>10 m 時,其允許撓度按荷載效應長期組合不應大于L/500。
鑒于渡槽的特殊性,本渡槽采用有限元法對其結構承載能力進行復核計算。通過ANSYS15.0 建立渡槽整體模型,通過建模→劃網(wǎng)格→加載→求解→后處理等操作過程得到渡槽結構單元的應力—應變大小和分布特征。渡槽槽身比較規(guī)整,采用四面體網(wǎng)格劃分,實體模型和有限單元模型如圖2所示。有限元計算坐標系定義為:X 軸為垂直渡槽水流方向,沿垂直軸線方向由右岸水平指向左岸;Y 軸為垂直方向,向上為正;Z軸為順渡槽水流方向,由上游水平指向下游。

圖2 槽身實體和有限單元模型
為簡化模型,將鋼筋和混凝土材料作等效處理,渡槽槽身混凝土密度2 550 kg/m3,彈性模量E=2.85×1010Pa,泊松比μ=0.2。本次槽身計算荷載主要考慮自重荷載、水荷載及地震荷載,主要計算工況包括:工況一為渡槽自重+設計水深;工況二為渡槽自重+滿槽水深;工況三為渡槽自重+設計水深+地震。設計水深和滿槽水深荷載加載示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 設計荷載示意圖

圖4 滿槽水深荷載示意圖
由于該渡槽已超過設計使用年限50年,運行期內(nèi)在外部環(huán)境和自然環(huán)境的作用下,渡槽已出現(xiàn)碳化、鋼筋銹蝕和實體強度等耐久性損傷等病害現(xiàn)象,其功能已出現(xiàn)逐步衰減。基于上述情況,本次利用ANSYS 軟件先從理論上對結構承載力和位移值作計算,然后再對材料強度作折減進行綜合安全評價。
本次分析了該渡槽在不同工況下的理論計算成果,根據(jù)ANSYS 后處理中范式等效應力(Von Mises Stress),其應力分布云圖清晰反應出模型中的最危險區(qū)域。從圖中可以看出渡槽的最大應力主要分布在端肋區(qū)域附近,幾種工況中最大主應力σ1的最大值為拉應力4.98 MPa;超出了C25 混凝土抗拉強度標準值[σt]=1.78 MPa;最小主應力σ3的最大值為壓應力3.49 MPa,滿足混凝土抗壓強度的要求。渡槽本身為鋼筋混凝土,其鋼筋主要承擔拉應力,混凝土主要承擔壓應力,故渡槽槽身目前未表現(xiàn)出承載力不足而發(fā)生整體破壞現(xiàn)象,由于拉應力超出抗拉強度標準值,理論上會導致混凝土本身產(chǎn)生一定的裂縫,使渡槽安全可靠性受到影響。列舉工況二的應力云圖如圖5所示。

圖5 工況二應力云圖
3 種工況位移值見表1,從云圖中反應,工況一、工況二情況下橫槽向(x 方向)最大位移主要表現(xiàn)在端肋區(qū)域,順槽向(z 方向)最大變形主要出現(xiàn)在靠近端肋頂部區(qū)域。豎向位移(y 方向)符合一般變形規(guī)律,往跨中位置逐漸變大,滿足結構變形的控制要求。工況三情況下橫槽向(x 方向)最大位移出現(xiàn)在槽身兩端區(qū)域,呈對稱分布且均朝外部變形,最大值為7.72 mm;順槽向(z 方向)以渡槽頂部橫向撐桿變形最為明顯,最大值1.1 mm;豎向位移(y 方向)跨中底部區(qū)域和頂部橫向撐桿變形最大,最大值24.15 mm,與規(guī)范允許標準接近(跨中最大撓度應小于L/550=13 980/500=27.96 mm)。列舉渡槽在工況二下位移成果如圖6所示。

表1 3 種工況位移值計算成果表


圖6 工況二渡槽位移分布云圖
根據(jù)渡槽的實際運行年限及安全檢測建議,本次對原有混凝土強度折減(折減材料彈性模量E)計算,強度折減系數(shù)參數(shù)見表2。折減系數(shù)分別取0.9、0.8 和0.7,由于設計水位工況下符合實際運行狀態(tài),該工況下計算結果偏于保守、安全,故取渡槽在設計流量對應的正常運行狀態(tài)情況進行分析,并重點關注渡槽的跨中撓度即豎直y 方向位移變化情況。其計算成果如圖7、圖8所示。

表2 強度折減系數(shù)參數(shù)表


圖7 折減強度下渡槽豎向位移(撓度)變化云圖

圖8 跨中撓度隨強度折減變化曲線(單位:mm)
考慮到結構使用壽命較長而導致強度損耗影響,選取不同強度折減系數(shù)對正常運用工況下的應力變形情況進行了分析,由跨中撓度隨強度折減變化曲線可知,該渡槽隨結構強度折減過程跨中撓度越來越大,強度折減20%時跨中最大撓度達到15.3 mm,強度折減30%時渡槽跨中撓度最大值達到34.0 mm,大于規(guī)范要求27.96 mm,超過規(guī)范要求。
通過以上計算結果可知,該渡槽槽身在理論計算工況下存在拉應力區(qū)域,超出混凝土抗拉強度標準值。在地震荷載工況下,結構變形較大,最大撓度接近現(xiàn)行規(guī)范允許值,結構偏于不安全狀態(tài)。在考慮鋼筋混凝土強度折減工況下,跨中撓度超出規(guī)范要求,結構存在發(fā)生承載力不足而破壞的可能。綜合評價槽身結構安全等級為C 級。