二郎坪渡槽结构安全复核分析

何博

(湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北武汉 430070)

二郎坪渡槽结构安全复核分析

何博

(湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北武汉 430070)

针对渡槽裂缝、碳化、缺陷等进行了检测,评价了裂缝和缺陷等原因对结构安全的影响,为复核计算提供了参数,对渡槽除险改造提出了设计方案。可供同类渡槽工程安全运行和改造方案借鉴。

二郎坪渡槽 工程安全 复核

1 工程简况

二郎坪渡槽是东风灌区总干渠上的一座输水构筑物,地处宜昌市夷陵区,是用于宜昌市城镇供水、农田灌溉及水力发电、泄洪等重要设施。该渡槽于1970年建成并投入使用,至今已运行40余年。渡槽位于总干渠桩号25+876—26+153.5,全长277.5m,上游进口槽底高程为208.89m,出口槽底高程208.585m,坡降为1/910,设计流量为15m3/s。

二郎坪渡槽的结构形式为双曲拱肋结构,全长共分七跨,每跨搁置四节槽身。主拱圈为三肋两波,净跨36.7m,净矢高3.67m,矢跨比1/10,拱轴系数m=1.347;主拱圈拱肋宽0.25m,肋高0.4m;拱波厚0.08m,净跨2.325m。拱肋、拱波均用200#砼浇筑;拱板采用150#砼现浇,拱顶最薄处厚0.06m。主拱圈总宽度为5.4m。单跨拱为对称结构,1/2跨主拱圈上设有4排立柱,每排5根,其中3根立柱位于拱肋处,其余2根则位于拱波波顶。

渡槽支墩为混凝土半圆头空心墩,支墩壁厚200mm,混凝土设计强度等级为150#。

渡槽槽身过水断面为矩形,每段槽身长9.5m,槽身净宽约4.85m,槽身侧墙高约1.75m,侧墙厚200mm～240mm,混凝土设计强度等级为200#。

由于工程投资所限,工程材料因地制宜,施工工艺落后等客观原因,工程出现严重老化及结构损坏现象,如混凝土结构碳化严重,锈胀裂缝较为普遍,主要受力构件开裂,局部受力钢筋裸露锈蚀,破损严重,已危及工程安全。

2 结构检测

检测资料反映,槽身、支墩、拱波及拱上立柱等构件存在多条裂缝。槽身共有42条裂缝,裂缝总长80.89m,其中侧墙36条,裂缝长51.58m,底板6条,裂缝长29.31m,均为贯穿或深层裂缝。1#～6#支墩中部两侧均存在1条竖向裂缝,边墩中部有1条水平裂缝,支墩共13条均为贯穿性裂缝,裂缝总长151.15m。另外,槽身侧壁新、老混凝土之间存在较长水平方向施工冷缝,两拱波顶部均存在不同程度的纵向裂缝,拱上立柱为预制砼管做外模,内充填混凝土,现约有2/5断裂。

混凝土构件的碳化深度也较大,这些构件最小碳化深度为7.0mm,最大的已达到22.0mm。构件因碳化原因产生局部破损露筋和锈胀裂缝,这也说明部分混凝土碳化深度已达到或超过其实际钢筋保护层厚度。

对混凝土内部钢筋锈蚀检测采用无损与有损相结合的方法,前者主要是定性检测即钢筋的锈蚀程度,后者主要是定量检测,即钢筋的蚀余直径。

定量检测即对因破损直接暴露于空气中的钢筋或对表面完好的混凝土凿开,除去钢筋表面锈皮后,利用数显千分尺直接测量。共抽检12个检测数据,对比图纸后发现,最小锈蚀量为0.6mm,最大锈蚀量为1.2mm,平均锈蚀量为0.9mm,为复核计算提供依据。

3 复核计算

3.1 计算说明

经分析,渡槽结构形式可分解为槽身、立柱、拱肋、拱波及支墩四部分。渡槽槽身搁置于立柱上,立柱设于拱波及拱肋上。在拱波顶部有砌石体填筑,立柱埋入混凝土中,拱脚与支墩连在一起,故考虑整个结构一起建模进行计算。

初步检测数据表明,渡槽拱肋和拱波钢筋部分锈蚀,混凝土碳化深度约2cm。现场照片中拱波中间有纵向裂缝,且有渗水,部分立柱已有倾斜趋势。以上说明拱肋、拱波及立柱对渡槽结构安全有很大影响。

本报告采用ANSYS有限元程序对渡槽结构进行复核。在保证尽可能模拟现状的前提下,对渡槽结构进行简化,计算时取拱肋、拱波、立柱、上部渡槽及支墩作为计算模型。

计算截面是根据检测结果扣除碳化深度之后的截面。计算成果中应力值除特别说明外均为拉应力。

3.2 结构计算

渡槽现状供水流量为12m3/s,设计流量为15m3/s,基本风压采用《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)宜昌地区的基本风压。

3.2.1 计算模型及荷载选取

计算模型中拱圈和立柱联结成整体,拱波上砌石体重量和水重及风荷载作为外荷载加入。

渡槽计算模型见图3-1和图3-2。Z轴为水流方向、Y轴为竖直向、X轴为垂直水流向,模型中取一半对称结构进行计算。两端采用链杆约束、支墩底部采用全约束。

计算模型中,槽身、拱肋采用200#混凝土,支墩及立柱采用150#混凝土,泊松比为0.167。

计算模型所受外荷载为水重及风荷载。结构自重由程序自动计算。

根据《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077-1997),风荷载可按下式计算:

式中,Wk——风荷载标准值;

Βz——z高度处的风振系数;

μz——风压高度变化系数;

μ0——风荷载体型系数;

w0——基本风压。

查《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)宜昌地区的基本风压为0.3KPa,风振系数取1.0;风荷载体型系数取1.3;风压高度变化系数近似取1.4。

根据有限元计算的应力结果计算钢筋混凝土结构的配筋量,依据《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-1998)中公式:

受拉钢筋的截面面积As应满足以下要求:

T≤(0.6Tc+fyAs)

式中,T——由荷载设计值确定的弹性纵拉力(包含结构重要系数及设计状况系数)确定的总拉力,T=Ab,在此A为弹性应力图中拉应力图形的总面积,b为结构截面宽度;

Tc——混凝土承担的拉力,Tc=Actb,Act为弹性应力图中主拉应力值小于轴心抗拉设计值ft的图形面积;这里由于混凝土的碳化作用,有效截面扣除平均碳化深度考虑。

fy——钢筋抗拉强度设计值;

γd——钢筋混凝土结构的结构系数。

3.2.2 计算工况

计算时考虑两种工况:1.空槽+风荷载;2.满槽(现状过水流量12m3/s)+风荷载。

3.2.3 计算结果及分析

计算所取剖面位置见图3-3。根据附图中的应力图可以看出,排架柱和拱圈结合部位应力较大,存在应力的奇异点,对应力进行削峰后按照主应力公式对钢筋面积进行计算。

按照主应力公式对钢筋面积进行计算,得出的计算钢筋面积见表3-1和表3-2(表中有效截面按照扣除平均碳化深度的截面考虑)。可以看出在现状过水流量时,不考虑温度变化,计算钢筋面积与实配钢筋面积相当,但小于设计钢筋面积。

表3-1 空槽＋风荷载工况各截面应力表

表3-2 满槽＋风荷载工况各截面应力表

图3-1 二郎坪渡槽有限元模型(侧视)

图3-2 二郎坪渡槽有限元模型(正等视)

图3-3计算剖面位置示意图

综上所述,在计算中所采用的钢筋锈蚀量及混凝土碳化深度均为统计分析后得出的结论,在渡槽局部混凝土碳化深度及钢筋锈蚀量均大于计算采用的数值,但在一些部位钢筋锈蚀和混凝土碳化深度比计算采用值又小,钢筋锈蚀量和混凝土碳化深度分布情况不均匀。渡槽(特别是拱肋)局部部位承载能力已达到极限状态。同时,表3-1和表3-2中也可以看出计算的最大主应力(拉应力)大多超过混凝土抗拉强度(200#混凝土极限抗拉强度标准值1.43Mpa,150#混凝土极限抗拉强度1.16MPa),结构中如配筋量不够将会出现混凝土开裂的现象。渡槽虽可在现状流量下可维持运行,但计算中未考虑温度变化对结构安全的影响,如果遇到极端气候,温度应力将使结构变得更为不安全。

4 结论及建议

通过上述检测成果及计算分析,可以得出如下结论及建议:

由于该渡槽原设计及施工等先天不足,现老化病害严重,约有65%以上的构件为二、三类构件,且支墩、拱波及拱上立柱等主要构件存在多条结构裂缝,危害性极大,严重危及建筑物安全。

渡槽复核计算表明:渡槽在现状输水工况下(Q＝12m3/s)处于不安全运行状况。渡槽(特别是拱肋)局部部位承载能力已达到极限状态。同时,计算的最大主应力(拉应力)大多超过混凝土抗拉强度,结构中配筋量不够导致混凝土开裂。渡槽虽在现状流量下可维持运行,但计算中未考虑温度变化对结构安全的影响,如果遇到极端气候,温度应力将使结构变得更为不安全。

根据对渡槽结构的现场检测结果分析和计算,该渡槽的结构是不安全的,渡槽的极端气候等特殊工况下,须控制运行、加强观测。为了彻底消除安全隐患,建议将该渡槽拆除重建。