輞川河引水輸水渡槽結(jié)構(gòu)性能評(píng)估研究

，， ，

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 綜合管理中心，武漢 430010)

輞川河引水輸水渡槽結(jié)構(gòu)性能評(píng)估研究

汪興萌1，2，盧亦焱1，金璐1，雷東山1

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 綜合管理中心，武漢 430010)

為全面了解輞川河引水輸水渡槽的質(zhì)量現(xiàn)狀，保證渡槽的安全使用，對(duì)渡槽進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)與結(jié)構(gòu)性能分析。通過對(duì)渡槽的檢測(cè)，得到渡槽的外觀缺陷、混凝土強(qiáng)度、混凝土碳化深度和鋼筋銹蝕等參數(shù)，隨后利用這些參數(shù)建立ANSYS有限元計(jì)算模型，分析渡槽各控制截面內(nèi)力值。通過將分析結(jié)果與渡槽結(jié)構(gòu)極限承載力相比較，可知槽身各截面的承載能力不足，后期使用需進(jìn)行加固處理。

輞川河引水輸水渡槽；質(zhì)量檢測(cè)；結(jié)構(gòu)性能評(píng)估；ANSYS；承載力

1 研究背景

渡槽是輸送渠道水流跨越河渠、道路、山?jīng)_、谷口等架空輸水建筑物，是灌區(qū)水工建筑物中應(yīng)用最廣的交叉建筑物之一[1]。研究發(fā)現(xiàn)[2]：有些渡槽在運(yùn)行10～15 a后可靠度嚴(yán)重降低，出現(xiàn)裂縫、漏水、倒塌等現(xiàn)象，更有甚者，建筑物投入運(yùn)行不久就出現(xiàn)沖毀等現(xiàn)象。因此對(duì)渡槽進(jìn)行安全性評(píng)定變得越來越重要。目前水工類規(guī)范對(duì)渡槽的安全性評(píng)定規(guī)定不詳[3]，很多學(xué)者采用有限元分析法對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[4-5]，李聲平等[6]采用有限元軟件ANSYS對(duì)大型U形雙渡槽進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，計(jì)算渡槽在不同工況下的自振特性，分析地震動(dòng)力響應(yīng)；鄭重陽等[7]采用有限元軟件ANSYS，重點(diǎn)分析預(yù)應(yīng)力和溫度荷載對(duì)渡槽的作用，得到渡槽各控制截面的應(yīng)力分布?，F(xiàn)階段，大多數(shù)有限元分析的是新建渡槽工程，采用有限元分析法對(duì)使用時(shí)間較長(zhǎng)的渡槽進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)的研究較少。

本文以建成28 a的輞川河引水輸水渡槽為例，渡槽在正常輸水期間槽身接縫處滲漏嚴(yán)重。為了解渡槽目前的安全狀況，現(xiàn)對(duì)渡槽進(jìn)行全面質(zhì)量檢測(cè)，并使用有限元軟件ANSYS對(duì)渡槽進(jìn)行分析計(jì)算，為后續(xù)工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

2 工程概況與質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

輞川河引水輸水工程渡槽為鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁式，全長(zhǎng)122 m，上部槽身為U形槽，渡槽軸線距地面最大高度為22.5 m，下部支撐結(jié)構(gòu)為單排架；單跨U形槽長(zhǎng)10.0 m、寬0.5 m、高0.6 m，槽殼壁厚8 cm，槽殼內(nèi)半徑1.5 m，直段高0.6 m；槽頂部加厚形成邊梁，槽身縱向每隔150 cm布置1根拉桿，一節(jié)槽身共設(shè)9根拉桿，拉桿斷面尺寸為25 cm×10 cm；下部排架間距10 m，最大排架高度20 m，單排架兩立柱中心距3.2 m，立柱斷面尺寸為40 cm×70 cm；排架立柱間設(shè)橫梁，間距4.0 m，橫梁截面尺寸40 cm×50 cm；立柱柱腳固結(jié)于板基。渡槽設(shè)計(jì)流量為8 m3/s，加大流量為10 m3/s，實(shí)際流量為6.55m3/s，滿槽水流量為15 m3/s。依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288—99)[8]中關(guān)于“灌排建筑物分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定，本項(xiàng)目渡槽過水流量在5～20 m3/s范圍，渡槽的工程級(jí)別確定為4級(jí)。渡槽概貌實(shí)拍圖見圖1。

圖1 渡槽概貌Fig.1 Profile of the aqueduct

對(duì)渡槽混凝土排架、槽身和漿砌石護(hù)坡進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果大體如下：槽身結(jié)構(gòu)存在內(nèi)外壁局部網(wǎng)絲或鋼筋銹蝕、槽頂橫梁鋼筋銹脹破壞和槽身接縫處嚴(yán)重滲漏等問題；槽身混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為29.5 MPa，達(dá)到C25強(qiáng)度等級(jí)，混凝土碳化深度實(shí)測(cè)值為2.0～3.0 mm，鋼筋保護(hù)層厚度實(shí)測(cè)值為6.5～8.5 mm；部分排架存在凍融剝蝕的問題，排架混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為33.4 MPa，達(dá)到C30強(qiáng)度等級(jí)，混凝土碳化深度為3.5～5.5 mm，鋼筋保護(hù)層厚度實(shí)測(cè)值為23～31 mm；漿砌石護(hù)坡外觀整體良好，其中部分區(qū)域存在豎向裂縫和護(hù)坡表面砂漿脫落的情況。外觀缺陷見圖2。

圖2 外觀缺陷Fig.2 Appearance defects

3 計(jì)算參數(shù)

3.1 基本計(jì)算參數(shù)

(1) 混凝土：根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，擬定槽身和排架結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度分別為C25和C30。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)[9]，C25混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值分別為16.7 N/mm2和11.9 N/mm2，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值分別為1.78 N/mm2和1.27 N/mm2；C30混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值分別為2.01 N/mm2和1.43 N/mm2；C25和C30混凝土重度為25 kN/m3，彈性模量為2.80×104N/mm2，泊松比為0.167。

3.2 風(fēng)荷載

基本風(fēng)壓根據(jù)伯努利方程得到,即

(1)

式中：w0為基本風(fēng)壓；γ為空氣重度，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下取0.012 225 kN/m3；g為重力加速度，取9.81 N/kg；ν為風(fēng)速，根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y料渡槽所在處最大風(fēng)速為17 m/s。故由式(1)計(jì)算可得到基本風(fēng)壓w0=0.18 kN/m2。

根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5077—1997)[10]，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為

wk=βzμzμsw0。

(2)

式中：wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，按規(guī)范[10]取1.0；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按照渡槽軸線距地面最大高度22.5 m計(jì)算，根據(jù)規(guī)范[10]可得μz=1.29；μs為風(fēng)荷載體形系數(shù)，槽身高寬比H/B=2.34 m/3 m=0.78，計(jì)算得到空槽和滿槽對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載體形系數(shù)為0.98和1.02。據(jù)式(2)得到空槽和滿槽對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.23 kN/m2和0.24 kN/m2，均lt;0.25 kN/m2，按《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5077—1997)[10]風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn),取值為0.25 kN/m2。

3.3 水深計(jì)算

已知槽內(nèi)設(shè)計(jì)流量、加大流量和實(shí)際流量，按照明渠均勻流量計(jì)算公式計(jì)算相應(yīng)的水深,即

在高中地理教學(xué)中，教師要關(guān)注學(xué)生的人文精神和科學(xué)精神的融合情況，還要關(guān)注學(xué)生價(jià)值觀、情感觀方面的變化和進(jìn)步，關(guān)注學(xué)生自身的發(fā)展。高中地理課堂上，課前引入是融合人文知識(shí)最好的情境，通過創(chuàng)設(shè)良好的教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，通過轉(zhuǎn)承手段，融合人文知識(shí)和學(xué)生所學(xué)習(xí)的知識(shí)，讓地理知識(shí)更加富有感染力和張力。

(3)

式中：Q為渡槽的過水流量；A為槽身過水?dāng)嗝婷娣e；R為水力半徑；i為槽底比降，取1/1 000；n為槽身糙率，對(duì)于本例鋼筋混凝土槽身取0.014。根據(jù)式(3)計(jì)算得到Q=6.59 m3/s，約等于實(shí)際流量6.55 m3/s，故本次水壓力計(jì)算，實(shí)際流量對(duì)應(yīng)的水深偏安全近似取圓弧半徑1.500 m。

設(shè)計(jì)及加大流量的水深計(jì)算時(shí)，令水深為

H=r+Δh。

(4)

式中：r為圓弧半徑；Δh為高出圓弧段水高度。則過水?dāng)嗝娣eA=0.5×3.14r2+2rΔh；水力半徑R=A/(3.14r+2Δh)，將A和R代入式(3)中，方程為關(guān)于Δh的一元非整數(shù)冪方程，沒有解析解，選用MATLAB的fsolve函數(shù)得出不同流量下的水深數(shù)值解。通過計(jì)算可得，設(shè)計(jì)流量8 m3/s時(shí)對(duì)應(yīng)的水深為1.678 m，加大流量10 m3/s時(shí)對(duì)應(yīng)的水深為1.943 m。

3.4 荷載組合

對(duì)渡槽的承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，主要考慮自重荷載、水荷載、人群荷載和風(fēng)荷載的作用。荷載的組合參考規(guī)范[9]，具體組合見表1。

表1 槽身荷載組合

注：SG為自重荷載；SP為人群荷載；SQA,SQD,SQF、SQI分別為實(shí)際水荷載、設(shè)計(jì)水荷載、滿槽水荷載、加大流量水荷載；SW為風(fēng)荷載

4 有限元計(jì)算

4.1 槽身結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)上述分析，取單跨槽身建立ANSYS有限元模型進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。模型x軸與槽軸線平行，y軸正向?yàn)樨Q直向上，槽身、槽托結(jié)構(gòu)采用有限應(yīng)變殼單元，共5 664個(gè)。拉桿采用3D有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧?，?5個(gè)。槽身與排架約束形式按鉸接處理，即槽左端與排架立柱連接位置按x,y,z方向位移約束，槽左端與排架立柱對(duì)應(yīng)兩節(jié)點(diǎn)僅作x,z方向的約束。計(jì)算主要分析跨中斷面(1—1)、槽端斷面(2—2)、槽頂直線加高段(4—4)、U形槽底(5—5)，計(jì)算中發(fā)現(xiàn)距槽端1 m處橫斷面彎矩和剪力偏大，補(bǔ)充距槽端1 m處橫斷面(3—3)內(nèi)力分析，截面詳細(xì)位置見圖3。

圖3 計(jì)算斷面選取及內(nèi)力方向規(guī)定Fig.3 Sketch of the calculation section and directions of internal forces

通過ANSYS的計(jì)算，得到在各工況下槽身內(nèi)力值。對(duì)于縱向內(nèi)力，計(jì)算得到槽身半圓下部軸力以受拉為主，承受外側(cè)受拉彎矩，板殼面外剪力較??；而在豎直側(cè)壁的直線段位置，槽身跨中存在軸向拉力，并且板殼內(nèi)側(cè)受拉。對(duì)于橫向內(nèi)力，計(jì)算發(fā)現(xiàn)槽身跨中軸力以受拉為主，承受外側(cè)受拉彎矩，板殼面外剪力較縱向有所增加；在槽身端部，槽身存在軸向壓力，并且板殼內(nèi)側(cè)承受受拉彎矩。圖4中列舉出部分截面內(nèi)力計(jì)算值(軸力結(jié)果中正值代表受拉，負(fù)值代表受壓)，其中圖4(a)為承載力極限狀態(tài)下跨中斷面軸力計(jì)算結(jié)果，圖4(b)為正常使用極限狀態(tài)下槽底沿軸線計(jì)算結(jié)果。

圖4 槽身各截面計(jì)算內(nèi)力值Fig.4 Calculated values of internal forces of aqueduct body

4.2 排架結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用ANSYS對(duì)高度最高的排架進(jìn)行有限元計(jì)算分析，此排架凈高度為L(zhǎng)=21.142 m，橫梁數(shù)量為5個(gè)。有限元模型x軸與槽軸線平行、y軸正向?yàn)樨Q直向上；排架結(jié)構(gòu)采用3D有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧?，單元長(zhǎng)度為0.1 m，單元總數(shù)為578個(gè)；排架底部為固支約束，排架立柱頂部與槽身墊片處節(jié)點(diǎn)施加由槽身風(fēng)荷載作用時(shí)空槽、滿槽水的集中荷載，排架立柱xy平面承受z方向大小為0.25 kN/m2的均布風(fēng)荷載作用。通過計(jì)算得到排架中柱和梁內(nèi)力,見表2。

表2 排架內(nèi)力計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculated values of internal forces of bent structure

4.3 抗力分析

參考規(guī)范[9]，對(duì)槽身結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗彎承載力、受壓承載力、受拉承載力、受剪承載力和抗裂承載力進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算發(fā)現(xiàn)槽身各部位受力特性隨位置變化差異較大，為安全起見，不適宜采用常規(guī)的渡槽單一設(shè)計(jì)承載力計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)算，而應(yīng)針對(duì)每個(gè)位置的配筋和受力情況(偏心受拉、偏心受壓或純彎)分別進(jìn)行抗力計(jì)算和校核。驗(yàn)算取3個(gè)典型斷面進(jìn)行比較，分別為槽身跨中、槽身端部以及距槽身端部1 m處。計(jì)算結(jié)果表明:槽身部分截面內(nèi)力大于其極限承載力，結(jié)構(gòu)存在較大的安全隱患，后期使用需進(jìn)行加固處理；槽身各截面內(nèi)力值較大，拉力與彎矩共同作用易使內(nèi)側(cè)壁上出現(xiàn)縱向裂縫。對(duì)排架立柱承載力按照偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，排架橫梁承載力按照純彎構(gòu)件計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3，結(jié)果表明排架承載力設(shè)計(jì)值滿足當(dāng)前要求。表4中列出部分計(jì)算結(jié)果。

表3 排架計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation result of bent structure

表4 部分截面的計(jì)算結(jié)果比較Table 4 Comparison of the calculation results of some sections under load combinations

對(duì)排架進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，在滿槽水加橫向風(fēng)壓力下，背風(fēng)面立柱承受最大豎向荷載，該柱在渡槽軸向是單柱性質(zhì)。為了偏安全考慮，假定排架頂部水平變位的約束作用很小，因此按自由端自由的壓桿公式計(jì)算柱頂臨界荷載,即

P=π2EI/(4L2) 。

(5)

式中：P為臨界荷載；E為排架材料的彈性模量，本例中E=2.80×104N/mm2；I為排架柱在渡槽軸向的截面慣性矩，本例中I=0.4×0.73/12=0.011 4 m4；L為柱的豎直高度，本例中L=21.142 m。計(jì)算得到P=1 762 kN，可知柱最大軸力為438.98 kN，故安全系數(shù)約為1 762/438.98=4.01，排架滿足穩(wěn)定性要求。

5 結(jié) 論

(1) 對(duì)渡槽和排架進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)：槽身存在若干裂縫、鋼筋銹蝕等缺陷；槽身和排架混凝土強(qiáng)度檢測(cè)值分別為29.5 MPa和33.4 MPa。

(2) 對(duì)風(fēng)荷載和水深進(jìn)行計(jì)算，得到風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值為0.25 kN/m2；實(shí)際流量、設(shè)計(jì)流量和加大流量下對(duì)應(yīng)水深分別為1.500,1.678,1.943 m。

(3) 對(duì)槽身和排架進(jìn)行ANSYS有限元建模計(jì)算，得到各截面處內(nèi)力值。參考規(guī)范[9]計(jì)算槽身和排架的極限承載力，發(fā)現(xiàn)槽身各截面的承載能力較低，存在較大的安全隱患，需進(jìn)行加固處理；排架承載力和穩(wěn)定性均滿足要求。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Evaluation of Structural Performance of Wangchuan RiverDiversion Aqueduct

WANG Xing-meng1,2, LU Yi-yan1, JIN Lu1, LEI Dong-shan1

(1.School of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China； 2.Comprehensive Management Centre, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China)

In order to ensure the safe operation, we carried out quality inspection and analysis on the aqueduct structure of Wangchuan River diversion project. Parameters of the aqueduct inclusive of appearance defects, concrete strength, concrete carbonization depth, and corrosion of steel reinforcement were obtained through the quality inspection. On this basis, an ANSYS finite element model was established and the internal forces of control sections of the aqueduct were analyzed. By comparing the model results with the ultimate bearing capacity of aqueduct, we conclude that the bearing capacity of aqueduct body was insufficient, and the structure needs to be reinforced.

aqueduct; inspection; safety; ANSYS; bearing capacity

2016-03-18;

2016-05-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015210020201)

汪興萌(1990-)，男，湖北鄂州人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)加固，(電話)13419500578 (電子信箱)wxm20090103@126.com。

10.11988/ckyyb.20160256 2017,34(11):116-120

TV672.3

A

1001-5485(2017)11-0116-05