美國(guó)布坎南壩使用壽命研究

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布坎南壩是美國(guó)最大的連拱壩之一，于1937年建成，具有蓄水和發(fā)電綜合效益，該壩的建成形成了布坎南湖，業(yè)主是科羅拉多河下游管理局(LCRA)。

作為綜合設(shè)施評(píng)估的一部分，在選取拱斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，梁托在強(qiáng)度和延展性上有缺陷。

為了提高梁托的強(qiáng)度，估計(jì)維修成本約為1 500萬～3 000萬美元。在大規(guī)模施工之前，LCRA委托福瑞斯-尼克爾斯公司進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估，包括二維有限元模型的建立、材料特性檢測(cè)，結(jié)構(gòu)物理模型研究和外觀檢查，以確定梁托的潛在失穩(wěn)機(jī)理和強(qiáng)度。

基于材料檢測(cè)結(jié)果，物理模型研究包括構(gòu)建梁托破壞的代表性剖面及試驗(yàn)。模型研究表明，破壞是由于混凝土斷面產(chǎn)生的拉張裂縫引起的，剪切破壞的可能性不大。

利用物理模型研究結(jié)果，建立數(shù)值分析模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，梁托有足夠的強(qiáng)度來承受預(yù)期荷載。對(duì)梁托進(jìn)行的水上和水下外觀檢查，并沒有觀察到有明顯的張裂跡象。最終認(rèn)為梁托是安全的，從而可以延長(zhǎng)使用壽命，避免了對(duì)老化的大壩進(jìn)行加固維修所需的高額開銷。

1 背 景

布坎南連拱壩高44.1 m，位于得克薩斯州伯內(nèi)特附近的科羅拉多河上，長(zhǎng)約3.2 km，由LCRA負(fù)責(zé)大壩的運(yùn)行管理。大壩形成的布坎南湖，是LCRA管理的六大高原湖泊之一，正常蓄水位310.8 m，庫容約10億m3。大壩的主要功能是蓄水發(fā)電，建筑物包括混凝土連拱壩、3個(gè)安裝有37個(gè)弧形閘門的混凝土溢洪道、5個(gè)非溢流重力壩段、1個(gè)開敞式混凝土溢洪道、1個(gè)土石壩段和廠房。連拱壩分為直徑10.7 m和21.3 m兩部分，連拱由扶壁支撐，扶壁與拱之間由大型梁托連接。

大壩于1931年開始施工建設(shè)，1932年因故被迫停工。在該階段，只完成了部分施工。 1943年，LCRA成立，重啟大壩建設(shè)；1937年工程建成，并因此成功地取得了運(yùn)營(yíng)管理權(quán)。1997年以來，LCRA對(duì)布坎南壩陸續(xù)進(jìn)行了維修，維修對(duì)象主要包括非溢流壩段、溢洪道和水電機(jī)組等。

2 設(shè)施全面審查和初步評(píng)估

通常，LCRA每6 a對(duì)大壩進(jìn)行一次全面的綜合檢查評(píng)估(CFR)，每年還要對(duì)大壩進(jìn)行一次安全檢查。2007年對(duì)大壩進(jìn)行的綜合檢查評(píng)估和2008年進(jìn)行的基本結(jié)構(gòu)評(píng)估結(jié)果顯示，在正常水位和可能最大洪水位(PMF)荷載條件下，拱和扶壁頭的結(jié)構(gòu)可能存在問題。

綜合檢查評(píng)估中所謂的“梁托”，即扶壁頭，是扶壁的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，筒形拱就坐落在扶壁頭上。報(bào)告中關(guān)注的是梁托的2個(gè)臨界強(qiáng)度，亦即拱間的局部抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。

初查中研究的抗拉強(qiáng)度是指拱間兩拱相交處梁托上游面的水平拉應(yīng)力，認(rèn)為直徑為10.7 m的拱間梁托具有足夠的抗拉強(qiáng)度，不需要對(duì)其采取防止拉裂破壞的加固措施；而直徑為21.3 m的拱間梁托，在拱附近部位有拉應(yīng)力出現(xiàn)，雖然拱間梁托的配筋率較低，但現(xiàn)有的鋼筋可以提供足夠的抗拉強(qiáng)度，也不需要對(duì)其采取防止拉裂破壞的加固措施。

對(duì)沿潛在剪切面上的剪應(yīng)力分布也進(jìn)行了分析，潛在剪切面從梁托上游面的拱背處延伸到梁托的凹角。分析結(jié)果表明，在給定預(yù)期剪切破壞為脆性的情況下，安全系數(shù)不足。

鑒于存在剪切破壞的可能性，建議LCRA對(duì)直徑為10.7 m和21.3 m的梁托實(shí)施加固措施，以增強(qiáng)梁托的強(qiáng)度。加固措施包括安裝預(yù)應(yīng)力桿穿過梁托，或用鋼筋混凝土加厚梁托。采用任何一種加固措施，估算造價(jià)都在1 500萬～3 000萬美元。

3 同行評(píng)審研究

鑒于提出的加固措施費(fèi)用高，考慮到布坎南壩運(yùn)行70多年來并沒有出現(xiàn)任何重大的結(jié)構(gòu)性問題，因此，LCRA不得不對(duì)加固事宜作進(jìn)一步地慎重考慮和深入研究。 2009年，LCRA邀請(qǐng)福瑞斯-尼克爾斯公司(FNI)，協(xié)助其對(duì)梁托狀態(tài)進(jìn)行深入評(píng)估。首先，是對(duì)CFR和結(jié)構(gòu)初步評(píng)估報(bào)告結(jié)論進(jìn)行同行評(píng)審研究。

為了完成這項(xiàng)研究，F(xiàn)NI組建了一支高素質(zhì)的工程師團(tuán)隊(duì)，其中包括來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的獨(dú)立顧問，這些顧問都是世界著名的壩工專家和鋼筋混凝土專家。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)梁托狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)審，并采用不同的方法開展了分析，首先對(duì)假定的材料強(qiáng)度和荷載組合情況進(jìn)行評(píng)估，精準(zhǔn)荷載組合情況，調(diào)整材料的強(qiáng)度，反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)的潛在變化，為結(jié)構(gòu)計(jì)算創(chuàng)造條件。

CFR對(duì)梁托的初步評(píng)估使用的是梁剪切法，但項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，剪切摩擦法更適合用于梁托，這與美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI )的經(jīng)驗(yàn)相一致。雖然剪切摩擦分析方法適用于梁托，但其得出的剪切強(qiáng)度卻是如此之低，以至于基于大壩以往的成功經(jīng)驗(yàn)，很難相信其正確性。用剪切摩擦分析方法得出的抗剪強(qiáng)度偏低，是由于ACI 318唯一依賴鋼筋來提供抗剪強(qiáng)度，而梁托的配筋率相對(duì)較低。因此，剪切摩擦方法在評(píng)估梁托方面存在著不確定性。

在分析過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)評(píng)估了梁托和可用的建筑標(biāo)準(zhǔn)。建筑標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則通常是建立在建筑，而不是大壩的典型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。

在美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)于2005年制定的有關(guān)結(jié)構(gòu)混凝土建筑規(guī)范中，規(guī)定的基本條件是柱上梁托為獨(dú)立構(gòu)件，并支承著直接受彎構(gòu)件，這些梁托及其承受的荷載的性質(zhì)與接受評(píng)審的布坎南壩梁托存在顯著的差異。

同行評(píng)審團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，規(guī)范的要求過于嚴(yán)格，不適用于準(zhǔn)確評(píng)估布坎南壩的梁托。

由于ACI分析方法所得結(jié)果的不確定性，作為同行評(píng)估的一部分，使用各種軟件包，開發(fā)出了梁托二維有限元模型(FEM)。初步的有限元分析結(jié)果表明，在兩拱之間的交叉區(qū)，有明顯的拉應(yīng)力形成，雖然這些拉應(yīng)力還沒有達(dá)到極限狀態(tài)，有限元法還是無法確定梁托是否足夠安全。

同行評(píng)估團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，鑒于梁托幾何形狀的復(fù)雜性、拱的反作用力以及配筋，并不能為其建立單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值評(píng)價(jià)技術(shù)。因此，需要提出更嚴(yán)密精確的方法，以進(jìn)一步了解梁托受力的狀況。

4 評(píng)估方案

FNI開發(fā)的梁托評(píng)估方案，提供了相關(guān)破壞機(jī)理的成本效益分析方法，建立與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)特性的相關(guān)性，確定是否可以避免采用大量的維修加固措施。重點(diǎn)關(guān)注2007年CFR提出的兩大強(qiáng)度機(jī)制：梁托表面的抗拉和內(nèi)部的抗剪。該方案包括材料試驗(yàn)、水上和水下外觀檢查、梁托的物理模型試驗(yàn)以及精確的結(jié)構(gòu)數(shù)值分析。

4.1 材料試驗(yàn)

材料的強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)分析中的關(guān)鍵參數(shù)。布坎南壩梁托和連拱的混凝土強(qiáng)度差別很大，這一點(diǎn)可以從原來施工試驗(yàn)成果和最近為其他大壩修復(fù)項(xiàng)目的試驗(yàn)成果中得到證明。

在布坎南壩2個(gè)前期項(xiàng)目中，從連拱部分所取的12塊巖芯的強(qiáng)度結(jié)果試驗(yàn)表明，平均抗壓強(qiáng)度為39.1 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為8.2 MPa。在前后2個(gè)不同時(shí)期修建的連拱，直徑為10.7 m連拱混凝土的平均強(qiáng)度要高于地徑為21.3 m的連拱混凝土。

在梁托評(píng)估過程中， 從梁托中或其附近選取了16塊具有代表性的混凝土巖芯，以測(cè)試其強(qiáng)度。混凝土強(qiáng)度介于24.8～51 MPa之間，強(qiáng)度的平均值為34.7 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為9.6 MPa，混凝土試樣的平均比重為2.4 t/m3?？紤]到新、老試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取為20.7 MPa，在分析中，抗壓強(qiáng)度不超過“竣工”時(shí)的強(qiáng)度是可信的。

在原始設(shè)計(jì)文件中，沒有明確說明鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度。所用鋼筋強(qiáng)度是根據(jù)歷史使用情況、原始設(shè)計(jì)圖紙中列出的計(jì)算應(yīng)力和一些特殊試驗(yàn)成果確定的。從歷史使用情況來看，可以合理推斷，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建造的時(shí)期是1928年到1963年，使用的是ASTM A 15中級(jí)新坯鋼筋。然后根據(jù)原始圖紙的蛛絲馬跡，對(duì)這種鋼筋強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)原始圖紙上僅有的幾次計(jì)算，連拱中鋼筋的應(yīng)力高達(dá)119.3 MPa。根據(jù)CRSI工程數(shù)據(jù)報(bào)告NO48[2001]，1924～1940年，鋼結(jié)構(gòu)和中級(jí)ASTM A 15鋼的允許的拉應(yīng)力分別為110.3 MPa和124.1 MPa。由于原始圖紙所列應(yīng)力高于結(jié)構(gòu)鋼筋的允許應(yīng)力，可以再次合理推斷，所使用的鋼筋是中級(jí)鋼材。最后，鋼筋樣品取自發(fā)電廠房地板和直徑為21.3 m的連拱附近發(fā)現(xiàn)的建筑垃圾。

樣品的拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別大于275.8 MPa和503.3 MPa，這些結(jié)果適用于中級(jí)ASTM A 15鋼。因此，所用的鋼筋屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取275.8 MPa。

4.2 外觀檢查

在梁托上游側(cè)進(jìn)行外觀檢查，是為了評(píng)價(jià)是否出現(xiàn)了與拉應(yīng)力或剪應(yīng)力有關(guān)的明顯裂縫，旨在發(fā)現(xiàn)拱間梁托上游面上任何明顯開裂或老化的跡象。外觀檢查包括直接觀察、水位以上梁托上游面的照片檢查、攝像遙控車(ROV )水下檢查。ROV也用來評(píng)估大壩上游梁托處沉積物的高程。

在直徑為21.3 m的拱段有30個(gè)梁托，其中20個(gè)用遙控車進(jìn)行了檢查 。在直徑為10.7 m的拱段，檢查期間庫水位較低，梁托處最大水深僅1.5 m，對(duì)24個(gè)梁托中的11個(gè)使用了遙控車進(jìn)行檢查。

總體而言，梁托在沉積物表面以上的可見部分狀況良好，沒有明顯的開裂跡象，說明拱間上游面不存在拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。在直徑為21.3 m的拱段，在梁托和拱上，常見沿拱的施工縫涂的焦油條帶，有的梁托全部涂滿了焦油。梁托表面粗糙度呈現(xiàn)為參差不一，可以說明當(dāng)時(shí)的澆筑技術(shù)和混凝土表面處理技術(shù)水平，梁托表面粗糙的部分說明缺乏表面處理工序。梁托和拱的施工縫高程與圖紙上所標(biāo)明的位置相一致。

除了73 a前老的建造技術(shù)在表面留下的正常狀況外，外觀檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，說明不存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷。

4.3 物理結(jié)構(gòu)模型

物理模型試驗(yàn)是用一個(gè)代表大壩的結(jié)構(gòu)來模擬配筋率較低的梁托受力情況，目的是為了開發(fā)一種分析模型，能夠應(yīng)用到大壩不同高程梁托的應(yīng)力應(yīng)變分析中，幫助克服建筑規(guī)范中典型梁托模型存在的許多不足。

在模型開發(fā)中，主要目標(biāo)是建立梁托表面拉應(yīng)力與梁托內(nèi)部抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系。施加的載荷、梁托形狀、扶壁厚度、拱厚度和配筋等，從梁托頂部到底部連續(xù)地變化。對(duì)一個(gè)模擬大壩全高的模型，理所當(dāng)然地認(rèn)為，至少能承受與大壩類似的組合荷載，同時(shí)具有較高的抗拉和抗剪強(qiáng)度。

物理模型試驗(yàn)是在奧斯汀德州大學(xué)弗格森實(shí)驗(yàn)室完成的，建立了2個(gè)具有代表性的半尺寸梁托模型。由于在初步分析中已經(jīng)確定梁托表面的張力是臨界破壞模式，模型的配筋結(jié)構(gòu)主要是盡可能精確地模擬梁托表面鋼筋網(wǎng)的拉力。

根據(jù)歷史應(yīng)用情況、原始設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場(chǎng)特定試驗(yàn)，用于模型的鋼筋設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度為275.8 MPa。試樣中使用的鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，與從原結(jié)構(gòu)中采取的試樣進(jìn)行了對(duì)比，具有極好的相關(guān)性。如前所述，模型中使用的混凝土28 d設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為20.7 MPa。

試驗(yàn)前，在該模型上安裝了應(yīng)變計(jì)和壓力傳感器。對(duì)模型施加水平和垂直荷載,以模擬實(shí)際壩拱相互作用的組合力矩和剪力。由于梁托的臨界張力區(qū)位于拱的反作用力附近，所以精確地模擬拱對(duì)梁托反作用力的傳遞是非常重要的。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將混凝土柱與梁托實(shí)施整體一起澆筑。將混凝土柱制造成拱基座的形狀，對(duì)于混凝土柱中豎向配筋的尺寸和位置，按照拱的實(shí)際情況而設(shè)。將載荷施加到代表拱的混凝土柱上，然后以混凝土受壓構(gòu)件和鋼筋張力的形式傳遞到梁托上，就像實(shí)際拱的反作用力。

2個(gè)試樣的試驗(yàn)過程概括如下：

(1) 加載后，試樣出現(xiàn)彈性反應(yīng)；繼續(xù)加載，直到拱間交叉中心處的混凝土開始出現(xiàn)張拉裂縫，此時(shí)觀察到鋼筋開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，但混凝土裂縫并沒有擴(kuò)展。

(2) 繼續(xù)對(duì)試樣加載，直到混凝土再次開裂，梁托從上至下產(chǎn)生了貫穿性裂縫，此時(shí)鋼筋處于完全受拉狀態(tài)。

(3) 繼續(xù)對(duì)試樣加載，當(dāng)拱間交叉處的強(qiáng)度完全受控于鋼筋張應(yīng)力時(shí)，鋼筋的韌性抗拉屈服強(qiáng)度控制著最終的抗性機(jī)制。

需要重點(diǎn)指出的是，在梁托中間，裂縫保持垂直向發(fā)展，而在扶壁交界面處的梁托基座上，裂縫則呈橫向發(fā)展，這與潛在剪切面無關(guān)。同樣需要重點(diǎn)指出的是，鋼筋彎曲部分的抗拉屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)理想的延性反應(yīng)。

4.4 結(jié) 果

梁托的承載力基本上與拱間梁托表面的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。在直徑為21.3 m的拱中，梁托表面的抗拉強(qiáng)度在較高位置控制著梁托的承載力。穿過剪切面的拉應(yīng)力會(huì)降低抗剪強(qiáng)度，但本次研究結(jié)果表明，當(dāng)拉裂縫形成時(shí)，并不會(huì)出現(xiàn)在抗剪強(qiáng)度降低的區(qū)域內(nèi)。

通過了解這些裂縫的形成機(jī)理，已經(jīng)可以確定剪切機(jī)制與這些裂縫無關(guān)，同時(shí)也進(jìn)一步證明古老結(jié)構(gòu)中分布的隨機(jī)殘留裂縫不可能降低抗剪強(qiáng)度。在大多數(shù)區(qū)域，抗剪安全系數(shù)低于抗拉安全系數(shù)，因此張拉破壞決不可能發(fā)生。使用這里所描述的方法，對(duì)所有斷面的抗剪安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果是可以接受的。

4.5 AASHTO抗剪承載力評(píng)價(jià)

作為一個(gè)輔助評(píng)估工具，使用美國(guó)國(guó)家公路運(yùn)輸司(AASHTO)LRFD橋梁設(shè)計(jì)說明書中指定的剪切摩擦分析法，來計(jì)算梁托的抗剪承載力。與ACI 318對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)， AASHTO方法的不同之處是考慮了凝聚力和骨料嵌鎖，許多橋梁設(shè)計(jì)依賴于剪應(yīng)力沿跨度大、配筋少的板梁接觸面?zhèn)鬟f，AASHTO方法提供了這種條件下更現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)方法。 AASHTO的規(guī)定是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制定的，提供了各種混凝土表面條件下的設(shè)計(jì)值。

在連接拱背與梁托基座凹角的剪切面上，特別對(duì)剪摩阻力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，拱的全部反作用力均要通過這個(gè)面?zhèn)鬟f。因此，這個(gè)面是最不利的，計(jì)算中使用的唯一鋼筋，是在物理模型研究中考慮的受拉鋼筋。

還有另外一種鋼筋，穿過所分析的潛在剪切面，但由于定向問題或缺乏延伸方向，因此在分析中不加以考慮。

5 結(jié) 語

基于FNI的梁托評(píng)估程序，結(jié)果表明，布坎南壩梁托是穩(wěn)定的，因此不需要進(jìn)行加固。需要指出的是，對(duì)梁托上游面進(jìn)行的視覺檢察，已成為了大壩定期檢查的一部分。如果這項(xiàng)檢察能夠繼續(xù)提供明確的證據(jù)，說明扶壁上游面混凝土沒有開裂或老化，與梁托相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)也就不存在，因而也就沒有必要對(duì)其進(jìn)行昂貴的加固維修。

該研究得出的一個(gè)重要結(jié)論是，行之有效的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)并不能精確說明老建筑的結(jié)構(gòu)承載力。根據(jù)該項(xiàng)研究，這個(gè)差異是由以下2個(gè)主要原因造成的：

(1) 標(biāo)準(zhǔn)分析技術(shù)暗含幾個(gè)假設(shè)，而這些假設(shè)不可能適合于特定條件；

(2) 現(xiàn)行的行業(yè)設(shè)計(jì)和分析慣例，往往是基于特定設(shè)計(jì)方法與相關(guān)分析方法的聯(lián)合應(yīng)用。

當(dāng)聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，得出的結(jié)論通常是合理的保守設(shè)計(jì)。但是，如果最初使用了不同的設(shè)計(jì)方法，當(dāng)前的分析方法就有可能得到明顯不同的結(jié)果，因?yàn)樗鼜?qiáng)化了某些區(qū)域，而忽略其他對(duì)結(jié)構(gòu)來說處于臨界狀態(tài)的區(qū)域。如果物理模型結(jié)果不同于數(shù)值分析結(jié)果，那么在數(shù)值分析中就必須應(yīng)用批判性思維。

業(yè)主和工程師應(yīng)該尋求可替代和創(chuàng)新的方式來看待和分析老的建筑物，因?yàn)橛袝r(shí)額外的管理可以避免或顯著減少維修費(fèi)用。