我国渡槽结构典型破坏特征研究综述

2017-09-16顾培英王岚岚

水利水电科技进展 2017年5期

关键词：渡槽桩基裂缝

顾培英,王岚岚,邓昌,汤雷

(1.南京水利科学研究院材料结构研究所,江苏南京 210029;2.水利部水科学与水工程重点实验室,江苏南京 210029)

我国渡槽结构典型破坏特征研究综述

顾培英1,2,王岚岚1,2,邓昌1,2,汤雷1,2

(1.南京水利科学研究院材料结构研究所,江苏南京 210029;2.水利部水科学与水工程重点实验室,江苏南京 210029)

为合理模拟渡槽损伤,客观评价渡槽结构安全,依据渡槽破坏实例,结合他人数值仿真、模型试验研究成果,归纳总结渡槽地震、风致、水毁、耐久性典型破坏特征。重点分析简支梁式渡槽桩基、支撑结构、槽身可能破坏模式。结果表明:桩基存在土体支承不足、桩身抗压能力不足、桩顶位移超限破坏模式;墩底易发生弯曲或剪切破坏,牛腿易剪切破坏,排架柱两端、连梁节点附近易破坏;槽身纵梁可能发生弯曲、剪切、弯剪组合失效,端横梁易损伤,底板跨中及两端、侧墙与肋板底部、上部拉杆易开裂;渡槽还存在开裂、碳化、剥落剥蚀、渗漏、钢筋锈蚀、接缝止水等耐久性破坏。

渡槽结构;破坏特征分析;破坏模式;简支梁;综述

我国是农业大国,过去修建了大量用于灌溉的中小型渡槽,流量、跨度较小,结构设计参照当时水工建筑及桥梁规范,未对结构问题作专题研究。随着南水北调工程与国内水利基础建设的兴建,渡槽被广泛采用,大型渡槽常采用预应力新技术,相关研究成果相继出现。国外渡槽建造较少,研究文献不多,且大多关注渡槽抗震问题,强调结构抗震设计[1]。长距离调水工程中,渡槽是一种重要的水工建筑物,一旦失效,直接和间接经济损失不可估量,社会影响深远,有必要开展大跨度高架渡槽结构安全评价技术研究。

国内外对混凝土坝与桥梁结构安全评价、混凝土结构老化病害评估及损伤诊断已开展大量研究,笔者对大体积混凝土结构(如重力坝)整体安全性也进行了某些尝试[2-7],但国内外渡槽结构安全评价研究较少,特别是输水状态下结构整体安全评价。笔者提出基于振动诊断技术的大跨度高架渡槽结构安全评价技术,该技术将损伤局部性与整体安全性有机联系起来,实时掌握渡槽结构安全状态。为此需对渡槽结构典型破坏特征有较为全面的了解,笔者首先依据收集到的国内部分渡槽破坏实例,结合他人部分数值仿真、模型试验研究成果,分析渡槽典型破坏特征。由于我国震灾严重,洪涝灾害频繁,许多地区经常出现大风(包括台风)天气,渡槽运行过程中常遭遇地震、台风、洪涝导致的突发性破坏。针对多厢矩形或多槽U形预应力简支梁式重力槽墩或排架渡槽结构,重点分析了桩基、支撑结构、槽身可能的破坏模式。

1 渡槽破坏实例及破坏特征分析

1.1 渡槽破坏实例

根据收集到的文献资料[8-33],统计分析了国内部分渡槽破坏实例,见表1。由表1可知,渡槽破坏原因主要包括地震、风致、水毁、耐久性问题(包括混凝土碳化、止水老化、冻融、腐蚀、水流冲刷、土体冻胀、不均匀沉降等)、超载破坏及设计不合理或施工质量差等,其中地震、风致、水毁破坏具有突发性。

表1 部分渡槽破坏实例

续表1

1.2 地震破坏特征

依据收集到的国内部分渡槽破坏实例,结合他人部分数值仿真、模型试验研究成果,分析渡槽典型破坏特征。王博[34]采用拟静力法得到高强混凝土渡槽支架模型破坏过程。研究得出当水平荷载增至最大荷载的45%～64%时,远端排架连梁顶部和近端连梁底部出现垂直弯曲裂缝;荷载反向后,裂缝贯通。随着水平荷载的反复施加,连梁端出现约45°方向交叉斜裂缝,远端排架上端外侧和下端内侧、近端排架上端内侧和下端外侧相继出现水平裂缝。随着荷载的继续增大与循环次数的增多,排架梁端剪切斜裂缝和柱脚处弯曲裂缝出现并发展,柱脚截面受压侧混凝土保护层剥落,之后相应位置处纵向受力钢筋屈服并向外凸出,形成以裂缝为中心逐步向两侧扩展的塑性铰。试验表明,排架两端产生塑性铰,呈延性破坏,进入处于非弹性阶段后,变形主要集中在塑性铰区。袁文阳[35]对矩形三槽简支三向预应力空心重力墩渡槽结构进行动力有限元分析,槽墩最大应力出现在墩帽顶部靠近支座部位,槽身应力较大部位主要是下部纵梁、横梁及上部拉杆。渡槽橡胶支座减震模型横向、纵向地震时最大动应力分别在槽身中墙根部、槽墩底部。槽墩模型破坏形态表明,强震时槽墩发生纵向弯曲破坏,破坏部位位于槽墩基础以上1/4高度范围内。徐建国等[36]采用渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型,对矩形薄壁简支预应力结构开展非线性地震响应计算分析,结果表明,强震作用下除槽台附近的渡槽端部、中跨跨中位置和排架柱根部进入一定程度的非线性状态外,其余部位均处于线弹性工作状态,非线性状态部位首先出现破坏。刘琨等[37]对大跨度箱形简支预应力渡槽进行三维有限元法地震响应数值分析,结果表明槽墩与基础接触面背风侧出现局部拉裂破坏。冯奕[38]对U形排架渡槽采用三维CAD/CAE分析模型,通过多点多维地震波作用下的动力时域分析,得到混凝土损伤破坏主要集中在排架柱与盖梁和承台交接处、盖梁靠近支座部位、槽身端部及槽身与支座连接部位,其中排架柱与盖梁、承台交接部位最早出现地震损伤。何祥瑞等[39]采用二维线弹性模型扩展有限元法对U形排架渡槽进行计算分析,结果表明渡槽结构连梁与排架柱节点、排架柱脚是排架渡槽的抗震薄弱部位。

实际工程(陕西汉中市石门水库灌区沥水沟渡槽、四川玉溪河引水工程团结渡槽和大石板渡槽)表明,架空结构对地震效应非常敏感,尤其是高度或跨度大的架空结构水平地震作用响应,其破坏主要集中在下部结构与基础部分,渡槽槽墩及下部基础作为渡槽的支撑结构,对渡槽整体安全稳定至关重要[37]。

1.3 风致破坏特征

从调查到的渡槽(湖北枣阳滚河渡槽、湖北孝感下分场渡槽、广西上思县那布渡槽和湖北宜昌宋家嘴渡槽)风致破坏实际状况看,渡槽均是在顺风向风力作用下,沿渡槽横向(与输水方向垂直)倒塌,顺风向破坏为结构的主要破坏形式[40]。这主要是由于风载作用于渡槽槽体,造成槽体横向位移过大,从而导致槽墩或支撑排架无法承受而出现破坏。渡槽风致破坏具有突发毁灭性。

目前渡槽设计已对风载作用有较为清楚的认识,抗风设计得到重视,一般情况下这类新建渡槽风致破坏的可能性不大,除非出现实际风载远大于设计值的极端台风天气。

1.4 水毁破坏特征

根据甘肃白银市靖会电力提灌工程总干二泵祖厉河渡槽和陕西宝鸡市冯家山水库灌区北干渠肖家桥渡槽工程实例并结合其他水毁破坏情况[41],渡槽水毁破坏最终是由地基变形引起,主要有以下两种情况:①大多数渡槽修建于河床上,基础往往会遭遇水流冲刷、挖沙船挖沙、洪水袭击,地基易被掏空,加之洪水长时间浸泡,地基承载力下降且不均匀,导致基础不均匀沉降,引起槽身倾斜或开裂,甚至出现基础被冲毁,渡槽整体倒塌的现象。②对于非河床式渡槽,若遭遇暴雨洪涝灾害,地基被洪水长时间浸泡,同样会导致基础不均匀沉降,甚至会引发滑坡、泥石流等地质灾害,造成槽身倾斜或开裂,甚至基础被冲毁,渡槽整体倒塌。

1.5 耐久性破坏表现形式

渡槽耐久性破坏主要包括混凝土裂缝、混凝土碳化、钢筋锈蚀、混凝土剥落或剥蚀、渗漏、地基变形(尤其是不均匀沉降)等。

a. 混凝土裂缝。混凝土裂缝是渡槽结构最常见的病害形式,一般位于槽身和支承结构上。裂缝主要有以下两种:①结构性裂缝(又称受力裂缝),由承载能力不足引起;②非结构性裂缝,主要由变形引起。裂缝具有直观性,不同原因引起的裂缝具有不同特征,裂缝分布及扩展程度不同,结构受损程度亦不同。严重开裂将破坏结构整体性,削弱结构承载力,影响渡槽正常运行,甚至丧失承载能力而毁损。同时,渡槽裂缝会导致其他病害的发生、发展,如环境水侵蚀、渗漏溶蚀、冻融破坏、混凝土碳化和钢筋锈蚀等,以上病害与裂缝病害恶性循环,对渡槽耐久性产生较大危害。

b. 混凝土碳化与钢筋锈蚀。以下情况会引起钢筋锈蚀:①混凝土碳化;②混凝土中含有硫酸盐、氯离子;③外在侵蚀性介质渗入;④应力腐蚀。钢筋锈蚀对结构性能影响如下:①钢筋与混凝土间黏结力降低,发生黏结破坏;②钢筋有效截面面积减小,钢筋承载力降低;③钢筋锈蚀后体积膨胀,引起混凝土开裂、剥落,截面有效尺寸减小,结构承载力降低。

c. 混凝土剥落或剥蚀。混凝土剥落或剥蚀破坏是一个由表及里、由浅到深的破坏过程,引起因素如下:①水流冲刷;②混凝土质量差,暴露在空气中出现风化或剥落现象;③冻融作用;④混凝土碳化;⑤侵蚀性介质作用。

d. 渗漏。渡槽渗漏原因如下:①槽身裂缝,尤其是贯穿性裂缝;②止水结构失效;③混凝土施工质量差。渡槽渗漏导致水量损失,引起或加剧混凝土溶蚀、侵蚀、钢筋锈蚀等病害,加速渡槽老化,影响结构耐久性。此外,还可能冲蚀基础及岸坡,危及渡槽整体稳定。

e. 地基变形。渡槽地基变形包括如下情况:①地基不均匀沉降,纵向会使槽身产生错位或拉裂,横向则会引起槽墩或排架倾斜,影响渡槽正常运行;②进出口段渗漏及沉降,由于我国早期修建的很多渡槽的槽身与渠道进出口连接段置于填方基础上,填土质量差,部分未采取有效防渗或排水措施,过水时在渗流作用下,容易引起槽身与连接段错动、止水拉裂,可能发生边坡失稳破坏,危及渡槽边跨基础及排架安全;③土体冻胀导致基础变形,如基础上抬或拉断,由于基础各处土壤性质、含水量不同,上抬不均匀,纵向槽身呈“罗锅形”,横向支承结构倾斜,产生平面弯曲，可能导致槽身漏水、槽墩(架)倾斜、边坡失稳,甚至整体倒塌等严重后果。

我国北方大部分地区每年约在11月份进入冻结期,并持续5个月左右，最大冻土层深度达1.5 m。水工建筑物冻害发生普遍,涵、闸、渡槽、渠道、桥梁和挡土墙等中小型建筑物的冻胀、融沉、滑坡破坏更为突出,往往建成第一年冬季即出现上抬、裂缝和严重变形,并逐年加剧,有些3～5 a即完全破坏[42]。北方不少渡槽因基础冻害发生不同程度的断裂、倾斜、上抬等破坏,最终使渡槽无法运行。例如黑龙江佳木斯桦南县共和灌区南干渠钢渡槽中间桩基冻拔上抬,向阳山三合干渠清茶渡槽也因冻害导致槽身上抬,新兴八支渠渡槽因冻害而毁弃等[43]。

位于寒旱区的西部,由于独特的地理和气候特点,地面灌溉造成土地大量盐分滞留和堆聚,致使结构遭到侵蚀破坏,加之冻融交替环境因素影响,导致寒旱地区渡槽结构及基础遭受严重破坏。据统计,我国西部地区水工混凝土建筑物70%的破坏受损与冻融破坏、硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀有关,其中35%左右因严重盐冻破坏而导致提前失效[16]。

2 简支梁式渡槽结构破坏模式

渡槽由槽身、支撑结构、基础及进出口建筑物等部分组成,有多种可能破坏模式,不同结构类型有不同的破坏模式,目前大型渡槽多为多厢矩形或多槽U形预应力简支梁式重力槽墩或排架渡槽,基础多为混凝土桩基础[44]。根据上述小型渡槽破坏实例、部分大型渡槽模型试验及数值仿真研究成果,重点分析简支梁式渡槽结构桩基、支撑结构、槽身的破坏模式。

2.1 桩基破坏模式

桩基按承载性状分为摩擦型桩和端承型桩两大类。摩擦型桩在承载能力极限状态下,桩顶传来的竖向荷载全部或大部分由桩侧摩阻力承担,根据桩侧摩阻力分担比不同,摩擦型桩又分为摩擦桩和端承摩擦桩两种:①摩擦桩,竖向荷载全部由桩侧摩阻力承担,端承力可忽略不计;②端承摩擦桩,荷载大部分由桩侧摩阻力承担,端承力只占一小部分。端承型桩在承载能力极限状态下,竖向荷载全部或大部分由桩端承担,同样端承型桩又分为端承桩和摩擦端承桩两种:①端承桩,竖向荷载全部由端承力承担,桩侧摩阻力可忽略不计;②摩擦端承桩,荷载大部分由端承力承担,桩侧摩阻力只占其中一小部分。

桩基主要有3种破坏模式:①土体支承力不足,桩尖持力层较软的打入桩和孔底沉积较厚的钻孔灌注桩属于摩擦桩,当桩侧摩阻力不足以抵抗桩顶荷载时,发生刺入破坏;②桩身抗压能力不足,对于端承桩或桩身有缺陷的摩擦型桩,桩侧摩阻力尚未充分发挥,但因桩身抗压能力不足,会导致上部荷载作用下桩身混凝土被压碎;③桩顶位移超过设计允许值,持力层为砂土、粉土的打入桩或扩底桩属于端承摩擦桩或摩擦端承桩,端承力分担比较大,端承力破坏需较大位移,土体支承力尚未达到极限状态,但桩顶位移往往会超过设计允许值。

渡槽水毁破坏实例表明,破坏最终是由地基变形引起的,对于桩基而言,水毁对短桩危害性较大,尤其是对荷载全部或大部分由桩侧摩阻力承载的短摩擦型桩。

结合渡槽耐久性破坏中的土体冻胀破坏实例,对于桩基(多为摩擦型桩)而言,桩侧摩阻力除承担上部荷载外,还承受冻拔作用。在非冻土区,主要根据地基承载力确定桩基埋深,根据上部荷载设计其截面尺寸及配筋。冻土区摩擦型桩的设计除此之外,还应满足地基土切向冻胀力作用下结构整体稳定和桩身强度要求,冻深较深地区冻胀力往往是桩长及配筋设计的控制条件。早期建成的小型渡槽由于上部结构及槽内水体自重较小,桩长较短,桩基抗冻拔能力较差,冻土区土体冻胀问题较为突出。对于目前新建或将建的大型渡槽,由于上部结构及水体自重大,桩长较长,桩基(包括摩擦型桩、端承型桩)抗冻拔能力较强,较少出现土体冻胀破坏。

此外,对于受地下水硫酸盐、氯离子等侵蚀腐蚀破坏的桩基,需在地下水位干湿交替区加强防腐蚀处理,以保证桩基的承载力。

2.2 支撑结构破坏模式

渡槽支撑结构,支撑渡槽上部结构并将上部荷载传递至基础,在地震中易损伤破坏,其抗震性能直接影响渡槽整体结构抗震能力。拟重点分析重力式槽墩、排架两种支撑结构破坏模式。

2.2.1 重力式槽墩

袁文阳[35]对槽墩开展的模型试验表明,强震时槽墩发生纵向弯曲破坏,破坏位于槽墩基础以上1/4高度范围内。刘琨等[37]进行的渡槽地震响应数值分析可知,槽墩与基础接触面背风侧出现局部拉裂破坏。由于渡槽重力式槽墩研究成果较少,但在某种程度上与桥墩类似,所以这里还借鉴了部分桥墩破坏模式研究成果。对于桥梁而言,强震作用下钢筋混凝土桥墩破坏模式主要为弯曲、剪切、弯剪、扭转及弯扭破坏等[45]，其中前3种破坏模式较为常见。孙治国等[46]根据剪切与弯曲变形比值关系提出了桥墩破坏模式判别标准。艾庆华[47]通过振动台试验可知,桥墩试件具有良好箍筋约束时,呈水平开裂破坏;小剪跨比和低配箍率时,小震后多为水平裂缝,中震后裂缝呈斜向发展,小剪跨比下剪切裂缝更为明显。剪跨比为决定桥墩破坏模式的重要影响因素,高柔结构一般呈弯曲破坏特征,矮刚结构呈剪切破坏特征[48]。渡槽地震破坏实例也表明,支撑墩牛腿剪跨比较小,均发生剪切破坏。

由此可见,强震作用下渡槽槽墩底部易发生弯曲或剪切破坏,牛腿易发生剪切破坏。结合耐久性破坏实例分析,槽墩也不可避免存在耐久性破坏。

2.2.2 排架

王博[34]的渡槽结构模型破坏试验结果表明,混凝土排架两端形成塑性铰,呈延性破坏,进入非弹性阶段后,变形主要集中在塑性铰区。徐建国等[36]通过渡槽结构非线性地震响应计算分析,得出强震作用下渡槽排架柱根部进入一定程度的非线性状态,形成塑性铰。冯奕[38]认为地震过程中,损伤最早出现在排架柱与盖梁、承台交接部位。何祥瑞等[39]计算分析表明,渡槽结构连梁与排架柱节点、排架柱脚是排架渡槽的抗震薄弱部位。

结合渡槽排架耐久性破坏实例(湖北宜昌宋家嘴渡槽被大风吹垮,刚架横梁首先发生破坏,导致整个排架结构倒塌[18]),排架往往存在开裂、碳化、混凝土剥落或剥蚀、钢筋锈蚀等破坏。

总的来说，渡槽排架除一般耐久性破坏外,在强震、大风作用下,排架柱两端、连梁与排架柱节点附近也易发生破坏。

2.3 槽身破坏模式

袁文阳[35]计算结果表明,槽身应力较大部位主要是下部纵梁、横梁及上部拉杆,渡槽橡胶支座减震模型横向、纵向地震时最大动应力分别发生在槽身中墙根部、槽墩底部。徐建国等[36]得出强震作用下渡槽中跨跨中位置进入一定程度的非线性状态,形成塑性铰。冯奕[38]动力时域分析表明,地震作用下U形渡槽槽身两端存在损伤破坏。

结合槽身耐久性破坏实例分析,槽身往往存在开裂、碳化、混凝土剥落或剥蚀、渗漏、钢筋锈蚀等破坏。此外,槽身接缝止水也经常发生老化破坏。对于一般矩形截面渡槽,槽身各部件破坏模式分析如下[49]:①侧墙,侧墙有可能由于底部弯矩过大遭受破坏或迎水面开裂。②底板,底板跨中截面最易拉裂。③纵梁,纵梁两端搁置于承台上,梁上作用槽身传递的自重和水重,可视为简支梁,纵梁可能在弯曲或剪切、弯剪组合作用下失效。跨中截面、临近支座截面及两者之间分别存在弯曲、剪切及弯剪组合失效的可能性。④肋板与拉杆,只有当其他部分变形破坏后才会发生肋板与拉杆破坏。肋板可按悬臂梁考虑,承担侧板传递的静水压力,其底部可能因抗弯能力不足而破坏。顶部拉杆可按杆件考虑,主要承受轴力,可能因抗拉能力不足被拉断。

3 结语

笔者依据收集到的国内部分渡槽破坏实例,结合他人部分数值仿真、模型试验研究成果,分析我国渡槽典型破坏特征。渡槽运行过程中,除存在一般性破坏外,还会遭遇地震、台风、洪涝导致的突发性破坏。针对多厢矩形或多槽U形预应力简支梁式重力槽墩或排架渡槽结构,重点分析了桩基、支撑结构、槽身可能的破坏模式。

桩基存在土体支承力不足、桩身抗压能力不足、桩顶位移超过设计允许值3种破坏模式。槽墩在强震作用下,槽墩底部易发生弯曲或剪切破坏,牛腿易发生剪切破坏;排架在强震、大风作用下,排架柱两端、连梁与排架柱节点附近易发生破坏。槽身下部纵梁可能发生弯曲、剪切、弯剪组合失效,槽身下部端横梁易损伤,槽身底板跨中及两端、侧墙底部、肋板底部、上部拉杆易开裂。除此之外,渡槽还不可避免存在开裂、碳化、混凝土剥落或剥蚀、渗漏、钢筋锈蚀、接缝止水等耐久性破坏。

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ReviewoftypicalfailurecharacteristicsofaqueductstructuresinChina

GU Peiying1,2，WANG Lanlan1,2，DENG Chang1,2，TANG Lei1,2

(1.MaterialsandStructuralEngineeringDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China；2.KeylaboratoryofWaterScienceandEngineering,MinistryofWaterResources,Nanjing210029,China)

In order to simulate the aqueduct damage and evaluate the structure safety in a reasonable way, aqueduct failure characteristics were summarized and analyzed based on failure living examples existing research results of numerical simulations and model tests. The typical failure characteristics of aqueducts caused by earthquake, high wind, flood and durability were summarized. The possible failure modes of the pile foundation, the support structure and the aqueduct body for aqueduct structures of simple supported beam typeswere mainly analyzed. Firstly, the failure modes of the pile foundation includes three types, insufficientsoilbearing, insufficient compression strength of the pile and the displacement of the pile tip exceeding limitingvalues. Secondly, bending or shear failure may occur at the pier-bottom. Shear failure may occur at the corbel. Failures tend to occur at the ends of a bent fame column and around the joints of a coupling beam. Thirdly, failure types of bending, shear or shear-bending may occur at the longitudinal beam. The end floor beams, the mid-span and ends of a bottom plate, the bottom of side walls, the bottom of rib plates and the upper tie bars are easy to be damaged. Furthermore, there are many durabilitydamages, such as cracks, concrete carbonation, concrete scaling, leakage, reinforcement corrosion and seal damage.

aqueduct structures；failure characteristics analysis；failure modes；simple supported beam；review