水工混凝土結(jié)構(gòu)局部損傷劣化系數(shù)研究

顧培英,鄧 昌,湯 雷

(1.南京水利科學研究院,江蘇南京210029;2.水利部水科學與水工程重點實驗室,江蘇南京210029)

我國很多結(jié)構(gòu)已進入中老年期,由于種種原因,往往存在各種損傷與病害。若結(jié)構(gòu)再遭受地震及其他意外事故,局部破壞在所難免。目前,混凝土結(jié)構(gòu)損傷狀況是通過外觀破損調(diào)查,并借助于多種無損或局部有損專項檢測技術(shù),但很難準確評價結(jié)構(gòu)整體安全性。筆者提出了基于重整化群理論的混凝土結(jié)構(gòu)整體安全性評價方法,該方法是從局部損傷概率出發(fā),研究結(jié)構(gòu)整體破壞概率[1]。重整化群方法成功地解釋了各種相變和臨界點問題,該方法利用了標度不變性,先在最小標度上研究較為簡單的相互作用系統(tǒng),然后將問題重整化,在進—步大的標度下利用同樣系統(tǒng)研究大的相互作用系統(tǒng),過程不斷重復(fù)。該方法已在巖石脆形和斷層破裂等方面得到應(yīng)用[2-6],由于混凝土與巖石均屬脆性材料,性能較為相似,所以可將重整化群方法應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)。

基于重整化群理論的混凝土結(jié)構(gòu)整體安全性評價方法首先需要解決局部損傷概率問題,近年來,筆者已建立了基于小單元、大單元試驗結(jié)果的混凝土局部損傷概率確定方法[7]。局部損傷概率確定后,對于水工混凝土結(jié)構(gòu)而言,損傷又不可避免受到多種不利因素的影響,即使局部損傷概率相同,但由于結(jié)構(gòu)類型、損傷位置、荷載或滲透壓力、工作環(huán)境等不同,損傷對結(jié)構(gòu)整體安全性影響也不同。如損傷位置處于結(jié)構(gòu)底部,對抗?jié)B、受力不利,極有可能使損傷進一步加劇。若結(jié)構(gòu)處于海洋環(huán)境中,則對抗腐蝕不利。所以,本文重點研究考慮這些因素之后水工混凝土結(jié)構(gòu)局部損傷劣化問題。該問題的研究是建立重整化群方法的基礎(chǔ)之一。

本文首先針對拱壩、重力壩、水閘水工混凝土結(jié)構(gòu)開展局部損傷破壞狀況分析,歸納總結(jié)不同結(jié)構(gòu)的局部損傷特點。再根據(jù)水利水電工程分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計方法,分析結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與失效概率的關(guān)系,提出了局部損傷對整體安全性的劣化系數(shù)(簡稱局部損傷劣化系數(shù))的概念,制定了局部損傷劣化系數(shù)的分級原則,確定其取值大小。

1 水工混凝土結(jié)構(gòu)局部損傷破壞狀況分析

1.1 拱壩

郭成等[8]通過對大壩在不同工況下的靜、動力仿真計算,得到某碾壓混凝土拱壩的破壞形式:①高水位作用下,不斷升高的上游水推力致使壩踵區(qū)和上游壩肩區(qū)拉應(yīng)力增大,受力狀態(tài)不斷惡化,導致壩踵、碾壓層面和上游壩肩局部拉裂或者剪切破壞,壩體局部破壞,但破壞范圍較小;②地震作用下,懸臂梁底部分區(qū)域拉應(yīng)力超過壩體混凝土允許抗拉強度,泄洪表孔孔口附近順河向動應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中,致使混凝土拉裂,孔口附近的碾壓層出現(xiàn)較大范圍的貫穿。

潘堅文等[9]采用非線性有限元精細網(wǎng)格,考慮橫縫非線性效應(yīng),應(yīng)用時域法分析高拱壩在超強地震作用下的開裂形式及損傷隨地震時程的發(fā)展狀況。研究表明,壩體上、下游面中上部較大范圍區(qū)域的應(yīng)力大于抗拉強度。在超強地震荷載作用下,拱壩壩體中上部損傷指數(shù)超過0.9,表明中上部區(qū)域梁向可能發(fā)生貫穿性損傷破壞。

范書立等[10]從試驗和數(shù)值計算角度,對整體拱壩動力特性、薄弱部位、破壞形態(tài)以及抗震性能進行了研究。在順河向地震作用下,壩頂拱冠區(qū)地震應(yīng)力最高,是壩體薄弱部位,拱壩往往在該位置起裂。強震作用下,拱向裂縫和梁向裂縫貫穿上下游,導致頂拱中部混凝土脫離壩體,喪失壅水功能。地震后期,破壞區(qū)域可能向兩側(cè)和下方擴展,導致相對較小的混凝土塊掉落。

涂勁等[11]對錦屏一級水電站高拱壩開展了整體抗震安全性研究,當超載倍數(shù)達到3.2時,左岸上部壩基交界面已完全斷裂,左岸壩體頂拱拱端殘余位移超過30 cm,根據(jù)滑塊和壩基交界面的滑移值及壩體拱端順河向位移值隨超載倍數(shù)增長的拐點位置,確定地震超載安全系數(shù)取為3.1。

江守燕等[12]研究了重力拱壩在地震荷載作用下橫縫的張開、閉合和滑移的非線性動力特性以及壩體的動力響應(yīng),大壩可能的破壞模式為從橫縫底端與岸坡交界面處起裂,損傷部位逐漸向壩踵以及兩側(cè)壩肩延伸。

韋先鋒等[13]基于線彈性本構(gòu)、D-P本構(gòu)和ABAQUS中的損傷塑性本構(gòu),對拱壩進行了動力響應(yīng)對比分析。結(jié)果表明,強震作用下,拱壩壩踵部位和下游面兩側(cè)壩肩部位出現(xiàn)不同程度的損傷。

杜榮強等[14]采用損傷力學方法對大崗山雙曲高拱壩、溪洛渡雙曲拱壩進行了強震損傷破壞分析,并與模型試驗結(jié)果進行對比分析,結(jié)果表明拱壩損傷最大值出現(xiàn)在頂部拱冠梁附近,該部位是此類大壩的抗震薄弱區(qū),同時在底部壩基交接處存在較小區(qū)域的嚴重損傷。

鐘紅等[15]研究了拱壩在不同地震超載水平下的損傷破壞情況,結(jié)果表明壩踵和拱冠梁頂部附近都是高拉應(yīng)力部位,地震水平增大時,上游面拱冠梁頂部附近和下游面中上部應(yīng)力水平增加很快,可能發(fā)生開裂。

1.2 重力壩

杜成斌等[16]基于塑性損傷本構(gòu)理論,對Koyna重力壩進行非線性地震響應(yīng)時程分析,給出關(guān)鍵時刻壩體最大受拉損傷分布,結(jié)果表明在壩頸和壩基處出現(xiàn)較大損傷,壩頸處的損傷最終形成由下游向上游的開裂破壞,這與實際震害較為一致。

張我華等[17]應(yīng)用損傷力學理論對地震荷載作用下混凝土重力壩進行了脆性動力損傷分析,結(jié)果表明:①在壩踵、壩踵與基巖結(jié)合部損傷最顯著,損傷區(qū)域從壩體與基巖結(jié)合部向壩體和基巖內(nèi)部逐步擴展,并逐步向內(nèi)減弱,同時,在壩趾處也發(fā)生一定程度的損傷;②在壩體上游坡面、壩體與基巖結(jié)合部有很高的應(yīng)力集中,該處的損傷明顯增長,且最大有效主應(yīng)力從上游坡面向下游坡面、基巖內(nèi)部逐步減小。

王亞軍等[18]采用模糊自適應(yīng)有限元方法,分析得到壩頂連接段、壩踵及壩趾與壩基連接部的損傷指標偏高,屬于損傷積聚部位。除此之外,上游壩體轉(zhuǎn)角處及下游壩面位置也屬于損傷高危段。材料在以上部位產(chǎn)生局部破壞失穩(wěn)的概率偏高。

范書立等[19]通過振動臺模型試驗可知,重力壩壩頭部位是抗震薄弱環(huán)節(jié),尤其對廠房壩段,該高度處存在引水口,壩體剛度發(fā)生突變,成為大壩抗震的薄弱部位,壩頸在地震中最先發(fā)生開裂破壞。

羅賽虎等[20]通過對碾壓混凝土重力壩的非線性分析可知,壩體動應(yīng)力分布具有三個應(yīng)力集中區(qū),從大到小依次為壩體下游折坡點處、上游折坡點處、壩踵處。

潘堅文等[21]研究了無縫、帶縱向裂縫的重力壩在水壓超載作用下的破壞模式,結(jié)果表明裂縫發(fā)展過程均表現(xiàn)為裂縫沿尖端或坡面突變處斜向擴展,該區(qū)剪應(yīng)力集中起關(guān)鍵作用。壩踵基巖首先開裂,隨著庫水壓增加,裂縫向斜下方深處發(fā)展,達一定深度后趨于穩(wěn)定,此時,重力壩在上游折坡點出現(xiàn)裂縫并迅速發(fā)展,貫穿壩體上下游,導致破壞失穩(wěn)。

1.3 水閘

根據(jù)對江海堤防、排澇工程、灌區(qū)等水工建筑物損壞的調(diào)查,水閘破壞的常見形式按照成因不同分為5大類:①滲漏破壞;②沖刷、磨損及氣蝕破壞;③裂縫破壞;④閘室啟閉設(shè)備破壞;⑤鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化及鋼筋銹蝕。滲漏破壞通常又稱為異常滲漏,異常滲漏會淘空閘基或兩岸連接處,危及水閘安全,因閘底板、護坦下地基被淘空而引起沉陷的情況較多,更為嚴重的是造成閘室傾斜和護坦坍塌破壞。裂縫破壞包括溫度裂縫、地基不均勻沉降裂縫、荷載不均勻裂縫[22]。

水閘在空氣、負荷、凍融、污染、風、浪、雨和雪的長期作用下,呈現(xiàn)各種各樣的老化病害,嚴重影響水閘的安全性、適用性和耐久性。鋼筋混凝土老化病害主要表現(xiàn)為碳化、氯離子侵蝕、鋼筋銹蝕、順筋裂縫、混凝土表面剝落、凍融破壞、沖磨空蝕破壞、環(huán)境水破壞等。深厚軟基和高含氯海區(qū)環(huán)境是造成沿海地區(qū)水閘病害的主要根源,病害主要表現(xiàn)為地基穩(wěn)定性不夠引起的地基滲透破壞、結(jié)構(gòu)變形過大、結(jié)構(gòu)破壞和高含氯海區(qū)環(huán)境引起的混凝土老化[23]?；炷羶鋈谄茐牟粌H在東北、西北等寒冷地區(qū)發(fā)生,且在華東、華中長江以北地區(qū)也同樣存在。試驗表明凍融循環(huán)使混凝土內(nèi)部損傷,宏觀上表現(xiàn)為力學性能下降,微觀上表現(xiàn)為原始缺陷發(fā)展,最終形成宏觀裂縫而使結(jié)構(gòu)破壞。此外,水流沖刷磨蝕是水閘過流結(jié)構(gòu)破壞的主要形式[24]。

1.4 局部損傷特點小結(jié)

(1)拱壩

高拱壩及地基可能發(fā)生的破壞主要表現(xiàn)為壩體局部開裂、上游壩基開裂、下游壩趾處壩體和地基的局部屈服破壞,沿建基面的開裂或屈服、壩肩塊體失穩(wěn)等[25]。高水位情況下,壩踵、碾壓層面和上游壩肩局部拉裂或剪切破壞。拱壩地震響應(yīng)研究較多,地震作用下,壩體中上部、壩踵、壩肩及孔口附近均可能由于拉應(yīng)力而出現(xiàn)損傷斷裂。

(2)重力壩

綜合混凝土重力壩地震、水壓超載作用等分析可知,壩體剛度突變處為壩體薄弱部位,如壩頸、壩踵、壩踵及壩趾與壩基連接部、上下游壩面折坡、孔口及廊道附近等處,這些部位拉應(yīng)力較大,易發(fā)生開裂破壞?；炷林亓蔚牡卣鹌茐拇蠖嗍怯杀∪醪课坏木植科茐倪M而發(fā)展引起的。

(3)水閘

根據(jù)水閘破壞形式可知,由地基處理不當引起的滲漏破壞、結(jié)構(gòu)傾斜、開裂等破壞最為常見。其次是混凝土耐久性,尤其是沿海地區(qū)的氯離子侵蝕,極易引起鋼筋銹蝕、混凝土順筋裂縫等。對于特殊地區(qū)(如寒冷地區(qū))、特殊部位(如過流部位、干濕交替等部位)也較易發(fā)生相應(yīng)的老化病害損傷。

2 局部損傷劣化系數(shù)概念的提出

由于本文所討論的是關(guān)于不同損傷對結(jié)構(gòu)整體安全性的影響,涉及概率問題?！端姽こ探Y(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB50199-94)(簡稱《水工統(tǒng)標》)[26]中所推薦的分項系數(shù)包括:結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、設(shè)計狀況系數(shù)、作用分項系數(shù)、材料性能分項系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)。分項系數(shù)的設(shè)置能保證各種水工結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算可靠指標最佳地逼近目標可靠指標,其誤差絕對值的加權(quán)平均值最小。

這里重點分析結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)用來考慮水利水電工程結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的安全級別,《水工統(tǒng)標》[26]中規(guī)定,對應(yīng)結(jié)構(gòu)安全級別Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)分別取1.1、1.0、0.9。該系數(shù)是根據(jù)失效概率差別確定的。從失效概率來看,不同安全級別的結(jié)構(gòu)失效概率應(yīng)有所差別,對Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級結(jié)構(gòu),目標可靠指標級差0.5,相當于失效概率相差10倍,大致相當于安全系數(shù)相差10%,所以,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)分別為1.1、1.0、0.9。

考慮水工混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的損傷在外力及其他不利因素作用下,材料有可能會進一步劣化,損傷會進一步加劇,且不同部位的損傷或不同周圍環(huán)境對結(jié)構(gòu)整體損傷概率具有不同影響,定義局部損傷劣化系數(shù)來反映損傷部位、受力水平、不利環(huán)境的影響。具體地講,水工混凝土結(jié)構(gòu)局部損傷劣化系數(shù)是針對各關(guān)鍵部位的局部損傷,綜合反映損傷后材料進一步劣化(尤其在腐蝕環(huán)境下)、應(yīng)力重分布后損傷進一步擴展及受力不利影響程度的參數(shù)。從某種意義上講局部損傷劣化系數(shù)類似于結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)或局部損傷對結(jié)構(gòu)整體安全的權(quán)值系數(shù)。

3 局部損傷劣化系數(shù)的分級與確定

從上述結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的確定中得到某些啟示,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)分別為1.1、1.0、0.9,對于局部損傷劣化系數(shù)而言,最小值應(yīng)該取為1。所以,根據(jù)特定環(huán)境下局部損傷對結(jié)構(gòu)整體損傷的影響程度,局部損傷劣化系數(shù)可以劃分為三個等級,三等級局部損傷劣化系數(shù)分別為1.2、1.1、1.0。分級原則如下:

一級:局部損傷對結(jié)構(gòu)整體損傷的影響程度最大,其破壞后果很嚴重,γ=1.2;

二級:局部損傷對結(jié)構(gòu)整體損傷的影響程度大,其破壞后果嚴重,γ=1.1;

三級:局部損傷對結(jié)構(gòu)整體損傷的影響程度不大,其破壞后果不嚴重,γ=1.0。

下面再根據(jù)前面有關(guān)拱壩、重力壩、水閘局部損傷特點的分析,確定此三類結(jié)構(gòu)的局部損傷劣化系數(shù)。

拱壩壩體中上部、壩踵、壩肩、建基面及孔口附近均可能由于拉應(yīng)力而出現(xiàn)損傷斷裂。這些區(qū)域受力大,特別是承受高水位、地震作用的結(jié)構(gòu),若該處出現(xiàn)局部損傷,則其附近部位將會出現(xiàn)應(yīng)力重分布,對結(jié)構(gòu)整體損傷的影響程度很大,該處的 γ取1.2;若壩體中上部、壩踵、壩肩、建基面及孔口附近處存在局部損傷,則附近區(qū)域的 γ取1.1,具體范圍要視具體情況確定;除此之外,其余部位 γ取1.0。若以上部位均沒有出現(xiàn)損傷,則整個結(jié)構(gòu)的γ均取1.0。

重力壩壩體剛度突變處為壩體薄弱部位,如壩頸、壩踵、壩踵及壩趾與壩基連接部、上下游壩面折坡、孔口及廊道附近等處,若該處出現(xiàn)局部損傷,則該處的 γ取1.2;若這些部位存在局部損傷,則附近區(qū)域的 γ取1.1;除此之外,其余部位 γ取1.0。

若由地基處理不當、沿海地區(qū)氯離子侵蝕及其他腐蝕惡劣環(huán)境引起的水閘損傷,損傷處的 γ取1.2;若寒冷地區(qū)水閘、水閘過流及干濕交替等部位發(fā)生損傷,在損傷處的 γ取1.1;除此之外,其他一般環(huán)境下引起的損傷,γ取1.0。若同時存在以上幾種不利因素引起的損傷,則損傷處的 γ視具體情況選取,范圍為1.2～1.4。

根據(jù)以上約定,局部損傷劣化系數(shù)分級情況列于表1中。

表1 局部損傷劣化系數(shù)三等級分級情況

4 結(jié) 論

本文首先歸納分析了拱壩、重力壩、水閘水工混凝土結(jié)構(gòu)的局部損傷特點。為考慮水工混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的損傷在外力及其他不利因素作用下,材料有可能會進一步劣化,損傷會進一步加劇,不同部位的損傷或不同周圍環(huán)境對結(jié)構(gòu)整體損傷概率具有不同影響,所以,定義局部損傷劣化系數(shù)來反映損傷部位、受力水平、不利環(huán)境的影響。具體地講,水工混凝土結(jié)構(gòu)局部損傷劣化系數(shù)是針對各關(guān)鍵部位的局部損傷,綜合反映損傷后材料進一步劣化(尤其在腐蝕環(huán)境下)、應(yīng)力重分布后損傷進一步擴展及受力不利影響程度的參數(shù)。再根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)與失效概率的關(guān)系,制定了局部損傷劣化系數(shù)的三等級分級原則,三等級局部損傷劣化系數(shù)分別為1.2、1.1、1.0。結(jié)合拱壩、重力壩、水閘三種不同水工混凝土結(jié)構(gòu)的局部損傷特點,初步確定了與局部損傷劣化系數(shù)三等級相對應(yīng)的損傷部位及周圍環(huán)境。

需要指出的是,本文是針對結(jié)構(gòu)所承擔的荷載在正常設(shè)計范圍內(nèi)的條件下討論的。局部損傷劣化系數(shù)考慮的不利因素較為復(fù)雜,目前還無法做到精確計算,作為一個新方法還需逐步完善;其分級還較為初步,不同等級之間損傷范圍的精確界定還需作進一步研究。

[1] 顧培英,黃勤紅,鄧 昌,等.基于重整化群的水工混凝土結(jié)構(gòu)整體破壞概率研究[J].水利水運工程學報,2010,(4):1-5.

[2] Chiaia B,BorriBrunetto M.Multiscale modelling of stick-slip transition of rough(fractal)surfaces[J].Materials Science Forum,2007,539-543(3):2594-2600.

[3] BorriBrunetto M,Carpinteri A,Chiaia B.The effect of scale and criticality in rock slope stability[J].RockMechanics and Rock Engineering,2004,37(2):117-126.

[4] Farris D W,Paterson S R.Contamination of silicic magmas and fractal fragmentation of xenoliths in Paleocene plutons on Kodiak Island,Alaska[J].The CanadianMineralogist,2007,45(1):107-129.

[5] Wang L G,Wu Y,Miao X X,et al.Mechanism of waterinrush from fault induced by mining near the working face[J].Journal of Coal Science&Engineering(China),2007,13(4):393-395.

[6] 高召寧,姚令侃,徐光興.巖石破壞過程的自組織特征與臨界條件研究[J].四川大學學報(工程科學版),2009,41(2):91-95.

[7] Gu P Y,Deng C,Tang L.Determination of local damage probability in concrete structure[C]//International Conference on Modern Hydraulic Engineering.Procedia Engineering,2012,28:489-493.

[8] 郭 成,段亞輝.碾壓混凝土拱壩破壞形式有限元仿真分析[J].西北水電,2011,(B09):66-70.

[9] 潘堅文,王進廷,張楚漢.超強地震作用下拱壩的損傷開裂分析[J].水利學報,2007,38(2):143-149.

[10] 范書立,陳健云,王建涌,等.高拱壩振動臺地震破壞試驗研究及數(shù)值仿真[J].巖石力學與工程學報,2009,28(3):467-474.

[11] 涂 勁,李德玉,陳厚群.錦屏一級水電站高拱壩整體抗震安全性研究[J].水力發(fā)電學報,2009,28(5):68-72,87.

[12] 江守燕,杜成斌,陳燈紅.Nam Ngum5水電站分縫重力拱壩地震響應(yīng)分析[J].河海大學學報(自然科學版),2010,38(3):308-312.

[13] 韋先鋒,彭 剛,姚艷華.基于不同本構(gòu)模型的拱壩地震響應(yīng)分析[J].水力發(fā)電,2010,36(4):26-29.

[14] 杜榮強,章 青,陳士海,等.大崗山和溪洛渡高拱壩強地震損傷比較分析[J].水力發(fā)電學報,2010,29(5):6-10,27.

[15] 鐘 紅,林 皋,李紅軍.拱壩-無限地基系統(tǒng)非線性地震超載分析[J].大連理工大學學報,2011,51(1):96-102.

[16] 杜成斌,蘇擎柱.混凝土壩地震動力損傷分析[J].工程力學,2003,20(5):170-173.

[17] 張我華,邱戰(zhàn)洪,余功栓.地震荷載作用下壩及其巖基的脆性動力損傷分析[J].巖石力學與工程學報,2004,23(8):1311-1317.

[18] 王亞軍,張我華.基于模糊隨機損傷力學的模糊自適應(yīng)有限元分析[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2009,10(5):440-446.

[19] 范書立,陳健云,張 斌.阿海水電站廠房壩段地震破壞試驗研究[J].人民長江,2010,41(2):13-17.

[20] 羅賽虎,田 斌.基于ABAQUS的重力壩時程動力分析[J].云南水力發(fā)電,2011,27(1):53-56,61.

[21] 潘堅文,張楚漢,金 峰.基于擴展有限元法的含縱向裂縫重力壩破壞分析[J].水力發(fā)電學報,2011,30(3):138-144.

[22] 關(guān)錦榮.沿海地區(qū)水閘破壞形式與加固對策[J].水利科技,2009,(3):59-61.

[23] 梁民陽,吳興龍.浙東海塘上水閘病害成因分析及對策[J].中國農(nóng)村水利水電,2006,(7):107-108.

[24] 劉超英,戚誠華,付 磊.水工混凝土結(jié)構(gòu)的檢測與分析[J].混凝土,2010,(7):132-134,138.

[25] 李同春,王仁坤,游啟升,等.高拱壩安全度評價方法研究[J].水利學報,2007,(S1):78-83,105.

[26] 國家技術(shù)監(jiān)督局,國家建設(shè)部.GB50199-94.水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準[S].北京:中國計劃出版社,1994.