受腐蚀浅埋污水箱涵结构安全性分析

路家峰，李 宁，谢永健

(上海勘察设计研究院〈集团〉有限公司，上海 200093)

1 概述

城市污水排放系统是现代化城市建设的重要基础设施，是解决城市生活污水处理和排放、实现城市健康可持续发展的战略性工程。目前国内早期建成的污水排放干线多采用浅埋式矩形现浇混凝土箱涵。这种现浇混凝土箱涵的结构内壁长期处于污水冲刷的恶劣环境之下，自身结构腐蚀现象较为普遍，由于结构失效导致路面塌陷等次生灾害的事件也时有发生。鉴于此，分析既有污水箱涵结构的承载能力对于及时发现安全隐患并及时进行相应的加固修复意义重大。

2 工程概况

上海某污水排放干线建于20世纪80年代，运行至今已超过30年，是上海市污水排放重要线路之一。其主体结构采用单孔矩形箱涵，顶部埋深约1.5 m，外包尺寸为3.7 m×2.6 m，内净尺寸为3.2 m×2.1 m，顶部及侧墙设计厚度250 mm，腋角设计宽度为200 mm。结构采用现浇钢筋混凝土，管节每节长为25 m，下设有120 mm厚素砼垫层。

3 结构腐蚀现状

在箱涵结构建成并投入运营的过程中，由于箱涵输送介质的特性，污水以及污水中逸散出来的硫化氢等气体均对弱碱性的混凝土箱涵本体有酸蚀影响，造成箱涵内壁混凝土剥落、钢筋锈蚀，箱涵结构承载力降低。

图1为某处地下污水箱涵断面内部拍摄的照片。由图1可知，箱涵结构顶板由于长期污水作用，箱涵内部混凝土结构腐蚀严重，表面凹凸不平，锈蚀的钢筋几乎处于裸露状态。相比于结构顶板，箱涵结构侧墙及底板结构腐蚀现象较少，暂无结构钢筋裸露的现象。针对结构顶板腐蚀严重的情况，对结构顶板厚度进行了实测，图2为顶板实测厚度示意图。腐蚀后结构顶板厚为199～220 mm，腐蚀量为30～51 mm。由此可见，污水箱涵结构经过长期运行后结构腐蚀现象严重，结构局部存在明显的削弱，有严重的结构安全隐患，有必要进行针对性的分析计算并制定修复方案。

图1 某污水箱涵顶板底面Fig.1 Status of Lower Surface of Sewage Culvert Top Plate

4 规范方法结构分析原结构承载力

由于结构建成时间相对较长，部分设计资料缺失，且由于设计采用的是当时的结构设计规范，各项要求与现行规范存在差异[1]。故首先需根据现行规范[2-3]对本工程既有结构进行初步结构分析。静力计算分析时，将现浇箱涵结构视为闭合框架，顶板与墙、墙与底板的连接均应视为连续支承，各项计算参数如表1所示。其中混凝土强度等级为实测推定值。根据结构力学方法求得的箱涵结构在满水带压工况和无水工况下荷载基本组合与标准组合的内力弯矩图如图3所示。

图2 箱涵实际顶板厚度示意图Fig.2 Schematic Diagram about Real Thickness of Sewage Culvert Top Plate

表1 箱涵承载力计算参数表Tab.1 Parameters for Calculation of Sewage Culvert Bearing Capacity

图3 箱涵结构内力弯矩图Fig.3 Bending Moment Diagram of Sewage Culvert Structure

根据箱涵结构在满水带压和无水两种工况下荷载基本组合的弯矩内力，按照现行混凝土规范6.2.10条[4]，对箱涵顶板进行配筋验算，计算结果如表2所示。根据当时设计规范所得结构配筋满足现行规范承载力要求。根据现行混凝土规范7.1.2条[4]，按荷载标准组合弯矩内力进行最大裂缝宽度验算得wmax=0.244 mm，大于现行规范对非一类环境裂缝宽度0.20 mm限制，即当时设计规范在对箱涵裂缝宽度控制方面较现行规范略有不足。故箱涵结构腐蚀现象严重的原因之一可能是由于微裂缝宽度较大，导致钢筋混凝土结构在污水的长期作用下不断腐蚀，经过长期运营后出现了钢筋裸露并严重腐蚀的现象。

表2 箱涵顶板配筋验算Tab.2 Checking Calculation on Reinforcement of Sewage Culvert Top Plate

5 有限元法分析腐蚀结构承载力

5.1 混凝土模型及参数选取

考虑到本工程既有箱涵情况的特殊性，在有限元数值分析过程中，计算结果对箱涵混凝土结构材料的本构模型及参数精确度要求较高，采用简单的弹性材料进行模拟可能会产生较大的误差。因此，本次计算采用与混凝土材料受力特性近似且与规范对应较好的混凝土损伤塑性模型模拟箱涵混凝土结构。

为了验证混凝土模型及参数的合理性，笔者首先进行了受力相对简单的简支钢筋混凝土梁模拟计算。简支梁截面尺寸为150 mm×300 mm，跨度为2.4 m，混凝土等级C30，配筋采用2根22 mm的HRB335钢筋。钢筋采用理想弹塑性模型，弹性模量为200 GPa，屈服应力为335 kPa。C30混凝土塑性损伤模型参数取值如表3所示[5-6]。

在简支梁顶部施加20 kPa的均布荷载，简支梁计算结果应力云图如图4所示，跨中截面的混凝土应力分布图如图5所示。由图4可知，简支梁上部受压区压应力远大于混凝土下部拉应力，且由于混凝土截面下端进入了开裂损伤阶段，拉应力由上到下逐渐减小，与混凝土结构实际受力状态基本一致。故该混凝土本构可较好地模拟混凝土材料的各向异性及开裂特性，适用于本研究的计算。

表3 C30混凝土计算参数表Tab.3 Parameters of C30 Concrete

图4 简支梁轴应力云图Fig.4 Axis Stress Nephogram of Simply Supported Beam

5.2 既有箱涵结构计算分析

本计算主要用于计算分析本项目既有结构的承载能力，故有限元模型需根据箱涵结构当前情况进行建模，结构顶板厚度近似按实测考虑，且由于顶板钢筋锈蚀严重，顶板下部横向钢筋在计算分析时不予考虑。

土层按场地实际土层考虑，浅部土层情况如表4所示。土层采用摩尔库伦模型进行计算。钢筋采用理想弹塑性模型模拟计算，弹性模量200 GPa，屈服强度335 MPa。所建立的有限元模型如图6所示。

表4 场地土层参数Tab.4 Parameters of Soil Profile

图6 有限元模型示意图Fig.6 Schematic Diagram about FEM Model

经计算可知，由于结构顶板钢筋锈蚀严重，结构在自重应力作用下混凝土拉应力已达到较高水平，但尚未达到混凝土抗拉强度，图7所示为在地面加载15 kPa均布荷载时箱涵结构的受力情况，图8为跨中位置顶板下部混凝土拉应力随加载变化的情况。由图7和图8可知，在自重应力和上部荷载的作用下，顶板混凝土逐渐达到抗拉强度并出现开裂损伤，拉应力水平下降，开裂范围扩大。

图7 箱涵结构水平向应力云图Fig.7 Horizontal Stress Nephogram of Sewage Culvert Structure

6 结构安全性分析

对既有污水箱涵结构，通过箱涵资料搜集、地质资料调查、箱涵结构检测、荷载条件复核、结构受力状态计算分析(包含规范方法和有限元方法等)等步骤可求得箱涵混凝土结构应力状态，再结合混凝土结构基本原理对箱涵承载力现状进行初步判别，并采取相关针对性修复建议。

本箱涵结构钢筋腐蚀严重且腐蚀现象较为普遍，根据《城镇排水管道检测与评估技术规程》(CJJ 181—2012)8.3.1条和8.3.2条，计算得到管段结构性缺陷参数F为5.0，管段结构性缺陷等级为Ⅲ级，根据8.3.4条计算得到管段修复指数RI为4.60，根据8.3.5条，管段修复等级为Ⅲ，应尽快修复。

从本文所示的力学角度来理解，该箱涵顶板由于缺少了下部横向受拉钢筋的作用，箱涵结构在可能工况下，当上覆荷载增加时，混凝土结构拉应力达到抗拉强度值后将导致结构混凝土不断开裂并退出工作，最终引起结构进入破坏状态。因此，对钢筋严重腐蚀的箱涵应尽快进行结构修复，且应尽量避免增加箱涵结构上覆荷载。

7 结语

本文结合实际工程，提出了应用有限元计算方法分析既有箱涵结构在钢筋混凝土结构发生局部腐蚀时的结构承载能力，对既有破损结构的安全状态进行了计算分析。通过研究，得到主要结论如下。

(1)部分既有污水箱涵由于建成时间早，原设计标准低，难以满足其长期运营对裂缝控制的要求，在腐蚀性污水长期作用下，结构腐蚀现象严重。

(2)通过检测、规范计算、有限元分析等多种方法结合，能更可靠地评价既有箱涵结构的承载能力及安全状态。

(3)通过本案例可知，对特殊环境下运行的结构，在结构设计之初，除了需考虑结构设计的常规问题，还应充分考虑周围介质和环境对结构的长期不利作用，采取保护性措施提高其耐久性，减少后期风险及修复加固等额外投入。