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。根據前期實體檢測報告，槽身內外側混凝土碳化深度為5～21 mm；槽身內外保護層厚度為20～39 cm，且局部脫落出現露筋，不滿足現行規范要求；實測混凝土平均強度21.35 MPa，不滿足現行規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程》規定，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SL 482—2011《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》，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SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》，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。渡槽槽身比較規整，采用四面體網格劃分，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，運行期內在外部環境和自然環境的作用下，渡槽已出現碳化、鋼筋銹蝕和實體強度等耐久性損傷等病害現象，其功能已出現逐步衰減。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域。從圖中可以看出渡槽的最大應力主要分布在端肋區域附近，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出承載力不足而發生整體破壞現象，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）最大位移主要表現在端肋區域，順槽向（z 方向）最大變形主要出現在靠近端肋頂部區域。豎向位移（y 方向）符合一般變形規律，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）最大位移出現在槽身兩端區域，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）跨中底部區域和頂部橫向撐桿變形最大，最大值24.15 mm，與規范允許標準接近（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，強度折減系數參數見表2。折減系數分別取0.9、0.8 和0.7，由于設計水位工況下符合實際運行狀態，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 強度折減系數參數表

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，大于規范要求27.96 mm，超過規范要求。

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，最大撓度接近現行規范允許值，結構偏于不安全狀態。在考慮鋼筋混凝土強度折減工況下，跨中撓度超出規范要求，結構存在發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。