混凝土損傷對(duì)節(jié)制閘閘室體系可靠度的影響

楚萬強(qiáng) 秦凈凈,2

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程學(xué)院， 河南 開封 475000； 2.開封市軟基工程結(jié)構(gòu)分析評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心， 河南 開封 457000）

0 引言

我國大部分水閘建于20 世紀(jì)60-70年代，水閘在服役期間，閘基的土質(zhì)參數(shù)、水位參數(shù)等是依賴于時(shí)間參數(shù)的隨機(jī)變量，閘室體系的可靠性呈現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程[1-3]。同時(shí)，由于混凝土材料的高離散型，宏觀上表現(xiàn)為材料特性的統(tǒng)計(jì)漲落，在廣義荷載效應(yīng)作用下，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷并演化進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行[4-5]。因此，為使這種不確定在機(jī)理上更符合實(shí)際實(shí)際情況，有必要在水閘體系可靠度分析中考慮損傷效應(yīng)。

損傷因子法計(jì)法目前主要應(yīng)用于重力壩穩(wěn)定可靠度分析[6-7]，而此方法在水閘工程中的應(yīng)用較少。為此，本文基于損傷理論，在水閘閘室常規(guī)可靠度分析中考慮混凝土損傷劣化對(duì)材料性能的影響，引入損傷因子，建立混凝土損傷后的剩余強(qiáng)度概率模型，探討閘基土質(zhì)參數(shù)變異敏感性，以期更能符合實(shí)際工程，研究成果可為在役水閘的安全評(píng)定、加固決策以及壽命預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 工程實(shí)例

某開敞式節(jié)制閘，閘室順?biāo)鞣较蜷L12m，底板厚1.0m，上下游端各設(shè)置一個(gè)深0.7m 淺齒墻。閘室為5 孔，閘孔總凈寬15m，每孔凈寬3m，邊墩厚0.7m，中墩厚1.0m。閘墩頂部高程68.86m，閘墩上部設(shè)置排架，排架高度3.5m，排架上設(shè)置工作橋和啟閉機(jī)房，交通橋布置在閘室下游側(cè)，橋面凈寬4.5m，總寬5.1m，檢修便橋布置在閘室工作橋上游側(cè)，總寬1.4m，凈寬0.8m，鋼筋混凝土板式結(jié)構(gòu)。

1.1 計(jì)算參數(shù)

本文不考慮浪壓力、泥沙壓力及地震作用，取水閘結(jié)構(gòu)自重、閘室上下游水壓力、閘底板與地基間的摩擦力、地基粘聚力、地基基承載力為隨機(jī)變量，參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 隨機(jī)變量參數(shù)統(tǒng)計(jì)

上游水位（m） 正態(tài)分布 2.15 0.08 摩擦系數(shù) 正態(tài)分布 0.3 0.15 地基粘聚力（kpa） 正態(tài)分布 20.1 0.21 地基承載力（kpa） 正態(tài)分布 125 0.25

1.2 閘室體系可靠指標(biāo)

用Monte-carlo 法編制程序計(jì)算正常蓄水情況下四種單一失效模式可靠度指標(biāo)，將四種失效模式視為串聯(lián)系統(tǒng)，利用PNET 法得到體系可靠度指標(biāo)，見表2。該閘為一級(jí)建筑物，閘室按第二類破壞對(duì)待，對(duì)應(yīng)二類破壞βT=3.7，對(duì)應(yīng)pf=1.08×10-4。由表可以看出，水閘系統(tǒng)失效概率略高于目標(biāo)失效概率，滿足要求；若考慮水閘閘室各單元間聯(lián)系、灌縫等因素, 水閘的結(jié)構(gòu)體系可靠指標(biāo)將有更大幅度增加。

表2 閘室可靠度計(jì)算結(jié)果

1.3 混凝土不同程度損傷對(duì)閘室可靠度指標(biāo)的影響

根據(jù)河海大學(xué)斷裂與損傷課題組研究[12]，混凝土指數(shù)函數(shù)損傷模型參數(shù)如下D0=0.05，Df=0.1，εf=0.9×10-4，εu=6.87×10-4，B=3.85，C=1.25，在不考慮混凝土損傷時(shí)產(chǎn)生的水壓力對(duì)水閘閘室的影響的情況下，4 種失效模式可靠度指標(biāo)隨混凝土損傷程度的變化見圖1-4。由圖可知，4 種失效模式可靠度指標(biāo)均隨混凝土損傷程度的增加而減??；當(dāng)損傷由D=0.05 增加到D=0.5，閘基抗滑穩(wěn)定可靠度指標(biāo)由3.76 降至3.17，壩趾抗壓強(qiáng)度可靠度指標(biāo)值由4.12 降至3.59，壩踵抗拉強(qiáng)度可靠度指標(biāo)值由4.47 降至3.92，上下游應(yīng)力比 可靠度指標(biāo)值由3.86 降至3.21，其中，上下游應(yīng)力比對(duì)損傷因子變化最敏感，因?yàn)榛炷翐p傷相當(dāng)于對(duì)水閘又加載了一個(gè)水壓力，上下游應(yīng)力比波動(dòng)更大；在損傷D＜0.1 時(shí)，混凝土損傷發(fā)展很慢，四種失效模式的可靠度指標(biāo)相較無損傷下降的比率小，在在損傷D＞0.1 時(shí)，損傷發(fā)展速率很快，四種失效模式的可靠度指標(biāo)比無損傷下降的比率大，說明水閘建成初級(jí)階段所形成的初級(jí)損傷對(duì)閘室體系可靠度指標(biāo)影響小，隨著水閘的運(yùn)行，混凝土損傷加大，可靠指標(biāo)不斷下降。

圖1 閘基面抗滑可靠度指標(biāo)隨損傷程度的變化

圖2 壩趾抗壓強(qiáng)度可靠度指標(biāo)隨損傷程度的變化

圖3 壩踵抗拉強(qiáng)度可靠度指標(biāo)隨損傷程度的變化

圖4 上下游應(yīng)力比可靠度指標(biāo)隨損傷程度的變化

1.4 材料變異性對(duì)閘室體系可靠度的影響

變異系數(shù)在概率統(tǒng)計(jì)中反映了一個(gè)變量的離散程度，變異系數(shù)不同，得出的可靠指標(biāo)有差異。變量摩擦系數(shù)、粘聚力的隨機(jī)特性對(duì)失效模式的可靠性指標(biāo)影響甚大，是影響水閘穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)，因此，考慮損傷變量為隨機(jī)變量時(shí)，取均值為0.35，變異系數(shù)為0.1，并假設(shè)其為正態(tài)分布，對(duì)摩擦系數(shù)、粘聚力不同均值和不同變異系數(shù)對(duì)閘室體系可靠度指標(biāo)的影響見表3、4 所示。

表3 不同摩擦系數(shù)、粘聚力均值的閘室體系可靠度指標(biāo)Tab.3 Reliability index of the lock chamber system with different friction coefficient and average value of cohesion

表4 不同摩擦系數(shù)、粘聚力變異系數(shù)的閘室體系可靠度指標(biāo)Tab.4 Reliability index of lock chamber system with different friction coefficient and cohesion variation coefficient

從表3、4 可以看出，考慮損傷后，隨著摩擦系數(shù)和粘聚力的變化結(jié)構(gòu)體系的可靠指標(biāo)相比不考慮損傷時(shí)均下降，且變異系數(shù)越大，兩者相差的趨勢(shì)越明顯；材料均值的變化對(duì)可靠指標(biāo)的結(jié)構(gòu)體系可靠度計(jì)算結(jié)果影響不顯著，但是材料的變異系數(shù)發(fā)生微小變化時(shí)，可靠指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果會(huì)發(fā)生較大的變化，且變異系數(shù)越大，可靠指標(biāo)越小，其中粘聚力變異系數(shù)的變化對(duì)可靠指標(biāo)的影響大于摩擦系數(shù)。因此，粘聚力變異系數(shù)屬于敏感因素，在實(shí)際工程中應(yīng)謹(jǐn)慎取值、論證合理。

2 結(jié)論

本文基于可靠度理論和損傷力學(xué)概念建立閘室混凝土的一般損傷演變模型，為水閘閘室的壽命評(píng)估提供一個(gè)新思路和方法，并探討損傷因子對(duì)四種失效模式的影響以及材料變異性對(duì)閘室體系可靠度影響，得出以下結(jié)論：

（1）混凝土的初級(jí)損傷隨水閘運(yùn)行性能影響小，但隨著混凝土損傷累積，水閘閘室體系可靠指標(biāo)逐漸減小，后期應(yīng)進(jìn)行混凝土的加固。

（2）閘基摩擦系數(shù)和粘聚力的均值對(duì)閘室體系可靠度指標(biāo)影響微小，但粘聚力的變異系數(shù)是敏感因素。