某渡槽槽身結構復核評價分析

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

1 計算方法

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

2 計算結果分析

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。

3.1 承載力及位移理論分析

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

2.2 渡槽結構強度折減受力分析

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。

3 結束語

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。