某渡槽槽身结构复核评价分析

苏利军，杨国浩，刘 真

（中水君信工程勘察设计有限公司，成都 610039）

渡槽槽身采用13 cm 厚C25 钢筋砼U 型薄壳结构，简支梁式支承，跨度14 m，断面尺寸4.0 m×2.8 m（宽×高），槽壳内径R0=2 m，直段高度0.6 m，顶部设间距2 m 的0.2 m×0.2 m 的拉杆，设计水深2.2 m，建筑物级别3 级，地震烈度7 度，设计地震加速度0.1 g，槽身断面图如图1所示。根据前期实体检测报告，槽身内外侧混凝土碳化深度为5～21 mm；槽身内外保护层厚度为20～39 cm，且局部脱落出现露筋，不满足现行规范要求；实测混凝土平均强度21.35 MPa，不满足现行规范对渡槽槽身混凝土最低强度等级C25 的要求。参照DL/T 5251—2001《水工混凝土建筑物缺陷检测和评估技术规程》规定，渡槽槽身钢筋锈蚀属于C 类锈蚀。参照JGJ 125—2016《危险房屋鉴定标准》，槽身评定为危险点。参照《水闸安全监测与评估分析》，当保护层存在局部脱落时，钢筋截面损失率为5%～20%，建议本槽身混凝土结构钢筋截面损失率按20%进行复核。

图1 渡槽槽身结构图

1 计算方法

根据SL 482—2011《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》，梁式渡槽跨宽比小于4 时，应按空间问题采用弹性力学方法计算。根据SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》，当渡槽槽身的计算跨度L＞10 m 时，其允许挠度按荷载效应长期组合不应大于L/500。

鉴于渡槽的特殊性，本渡槽采用有限元法对其结构承载能力进行复核计算。通过ANSYS15.0 建立渡槽整体模型，通过建模→划网格→加载→求解→后处理等操作过程得到渡槽结构单元的应力—应变大小和分布特征。渡槽槽身比较规整，采用四面体网格划分，实体模型和有限单元模型如图2所示。有限元计算坐标系定义为：X 轴为垂直渡槽水流方向，沿垂直轴线方向由右岸水平指向左岸；Y 轴为垂直方向，向上为正；Z轴为顺渡槽水流方向，由上游水平指向下游。

图2 槽身实体和有限单元模型

为简化模型，将钢筋和混凝土材料作等效处理，渡槽槽身混凝土密度2 550 kg/m3，弹性模量E=2.85×1010Pa，泊松比μ=0.2。本次槽身计算荷载主要考虑自重荷载、水荷载及地震荷载，主要计算工况包括：工况一为渡槽自重+设计水深；工况二为渡槽自重+满槽水深；工况三为渡槽自重+设计水深+地震。设计水深和满槽水深荷载加载示意图如图3、图4所示。

图3 设计荷载示意图

图4 满槽水深荷载示意图

2 计算结果分析

由于该渡槽已超过设计使用年限50年，运行期内在外部环境和自然环境的作用下，渡槽已出现碳化、钢筋锈蚀和实体强度等耐久性损伤等病害现象，其功能已出现逐步衰减。基于上述情况，本次利用ANSYS 软件先从理论上对结构承载力和位移值作计算，然后再对材料强度作折减进行综合安全评价。

3.1 承载力及位移理论分析

本次分析了该渡槽在不同工况下的理论计算成果，根据ANSYS 后处理中范式等效应力（Von Mises Stress），其应力分布云图清晰反应出模型中的最危险区域。从图中可以看出渡槽的最大应力主要分布在端肋区域附近，几种工况中最大主应力σ1的最大值为拉应力4.98 MPa；超出了C25 混凝土抗拉强度标准值[σt]=1.78 MPa；最小主应力σ3的最大值为压应力3.49 MPa，满足混凝土抗压强度的要求。渡槽本身为钢筋混凝土，其钢筋主要承担拉应力，混凝土主要承担压应力，故渡槽槽身目前未表现出承载力不足而发生整体破坏现象，由于拉应力超出抗拉强度标准值，理论上会导致混凝土本身产生一定的裂缝，使渡槽安全可靠性受到影响。列举工况二的应力云图如图5所示。

图5 工况二应力云图

3 种工况位移值见表1，从云图中反应，工况一、工况二情况下横槽向（x 方向）最大位移主要表现在端肋区域，顺槽向（z 方向）最大变形主要出现在靠近端肋顶部区域。竖向位移（y 方向）符合一般变形规律，往跨中位置逐渐变大，满足结构变形的控制要求。工况三情况下横槽向（x 方向）最大位移出现在槽身两端区域，呈对称分布且均朝外部变形，最大值为7.72 mm；顺槽向（z 方向）以渡槽顶部横向撑杆变形最为明显，最大值1.1 mm；竖向位移（y 方向）跨中底部区域和顶部横向撑杆变形最大，最大值24.15 mm，与规范允许标准接近（跨中最大挠度应小于L/550=13 980/500=27.96 mm）。列举渡槽在工况二下位移成果如图6所示。

表1 3 种工况位移值计算成果表

图6 工况二渡槽位移分布云图

2.2 渡槽结构强度折减受力分析

根据渡槽的实际运行年限及安全检测建议，本次对原有混凝土强度折减（折减材料弹性模量E）计算，强度折减系数参数见表2。折减系数分别取0.9、0.8 和0.7，由于设计水位工况下符合实际运行状态，该工况下计算结果偏于保守、安全，故取渡槽在设计流量对应的正常运行状态情况进行分析，并重点关注渡槽的跨中挠度即竖直y 方向位移变化情况。其计算成果如图7、图8所示。

表2 强度折减系数参数表

图7 折减强度下渡槽竖向位移（挠度）变化云图

图8 跨中挠度随强度折减变化曲线（单位：mm）

考虑到结构使用寿命较长而导致强度损耗影响，选取不同强度折减系数对正常运用工况下的应力变形情况进行了分析，由跨中挠度随强度折减变化曲线可知，该渡槽随结构强度折减过程跨中挠度越来越大，强度折减20%时跨中最大挠度达到15.3 mm，强度折减30%时渡槽跨中挠度最大值达到34.0 mm，大于规范要求27.96 mm，超过规范要求。

3 结束语

通过以上计算结果可知，该渡槽槽身在理论计算工况下存在拉应力区域，超出混凝土抗拉强度标准值。在地震荷载工况下，结构变形较大，最大挠度接近现行规范允许值，结构偏于不安全状态。在考虑钢筋混凝土强度折减工况下，跨中挠度超出规范要求，结构存在发生承载力不足而破坏的可能。综合评价槽身结构安全等级为C 级。