辋川河引水输水渡槽结构性能评估研究

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(1.武汉大学 土木建筑工程学院，武汉 430072；2.长江水利委员会 综合管理中心，武汉 430010)

辋川河引水输水渡槽结构性能评估研究

汪兴萌1，2，卢亦焱1，金璐1，雷东山1

(1.武汉大学 土木建筑工程学院，武汉 430072；2.长江水利委员会 综合管理中心，武汉 430010)

为全面了解辋川河引水输水渡槽的质量现状，保证渡槽的安全使用，对渡槽进行了质量检测与结构性能分析。通过对渡槽的检测，得到渡槽的外观缺陷、混凝土强度、混凝土碳化深度和钢筋锈蚀等参数，随后利用这些参数建立ANSYS有限元计算模型，分析渡槽各控制截面内力值。通过将分析结果与渡槽结构极限承载力相比较，可知槽身各截面的承载能力不足，后期使用需进行加固处理。

辋川河引水输水渡槽；质量检测；结构性能评估；ANSYS；承载力

1 研究背景

渡槽是输送渠道水流跨越河渠、道路、山冲、谷口等架空输水建筑物，是灌区水工建筑物中应用最广的交叉建筑物之一[1]。研究发现[2]：有些渡槽在运行10～15 a后可靠度严重降低，出现裂缝、漏水、倒塌等现象，更有甚者，建筑物投入运行不久就出现冲毁等现象。因此对渡槽进行安全性评定变得越来越重要。目前水工类规范对渡槽的安全性评定规定不详[3]，很多学者采用有限元分析法对渡槽结构进行分析[4-5]，李声平等[6]采用有限元软件ANSYS对大型U形双渡槽进行了结构动力分析，计算渡槽在不同工况下的自振特性，分析地震动力响应；郑重阳等[7]采用有限元软件ANSYS，重点分析预应力和温度荷载对渡槽的作用，得到渡槽各控制截面的应力分布。现阶段，大多数有限元分析的是新建渡槽工程，采用有限元分析法对使用时间较长的渡槽进行安全性评价的研究较少。

本文以建成28 a的辋川河引水输水渡槽为例，渡槽在正常输水期间槽身接缝处渗漏严重。为了解渡槽目前的安全状况，现对渡槽进行全面质量检测，并使用有限元软件ANSYS对渡槽进行分析计算，为后续工程除险加固设计提供科学依据。

2 工程概况与质量检测结果

辋川河引水输水工程渡槽为钢筋混凝土简支梁式，全长122 m，上部槽身为U形槽，渡槽轴线距地面最大高度为22.5 m，下部支撑结构为单排架；单跨U形槽长10.0 m、宽0.5 m、高0.6 m，槽壳壁厚8 cm，槽壳内半径1.5 m，直段高0.6 m；槽顶部加厚形成边梁，槽身纵向每隔150 cm布置1根拉杆，一节槽身共设9根拉杆，拉杆断面尺寸为25 cm×10 cm；下部排架间距10 m，最大排架高度20 m，单排架两立柱中心距3.2 m，立柱断面尺寸为40 cm×70 cm；排架立柱间设横梁，间距4.0 m，横梁截面尺寸40 cm×50 cm；立柱柱脚固结于板基。渡槽设计流量为8 m3/s，加大流量为10 m3/s，实际流量为6.55m3/s，满槽水流量为15 m3/s。依据《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—99)[8]中关于“灌排建筑物分级标准”规定，本项目渡槽过水流量在5～20 m3/s范围，渡槽的工程级别确定为4级。渡槽概貌实拍图见图1。

图1 渡槽概貌Fig.1 Profile of the aqueduct

对渡槽混凝土排架、槽身和浆砌石护坡进行了检测。检测结果大体如下：槽身结构存在内外壁局部网丝或钢筋锈蚀、槽顶横梁钢筋锈胀破坏和槽身接缝处严重渗漏等问题；槽身混凝土抗压强度实测值为29.5 MPa，达到C25强度等级，混凝土碳化深度实测值为2.0～3.0 mm，钢筋保护层厚度实测值为6.5～8.5 mm；部分排架存在冻融剥蚀的问题，排架混凝土抗压强度平均值为33.4 MPa，达到C30强度等级，混凝土碳化深度为3.5～5.5 mm，钢筋保护层厚度实测值为23～31 mm；浆砌石护坡外观整体良好，其中部分区域存在竖向裂缝和护坡表面砂浆脱落的情况。外观缺陷见图2。

图2 外观缺陷Fig.2 Appearance defects

3 计算参数

3.1 基本计算参数

(1) 混凝土：根据检测结果，拟定槽身和排架结构混凝土强度分别为C25和C30。根据《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)[9]，C25混凝土轴心抗压强度标准值和设计值分别为16.7 N/mm2和11.9 N/mm2，抗拉强度标准值和设计值分别为1.78 N/mm2和1.27 N/mm2；C30混凝土轴心抗压强度标准值和设计值分别为2.01 N/mm2和1.43 N/mm2；C25和C30混凝土重度为25 kN/m3，弹性模量为2.80×104N/mm2，泊松比为0.167。

3.2 风荷载

基本风压根据伯努利方程得到,即

(1)

式中：w0为基本风压；γ为空气重度，标准状态下取0.012 225 kN/m3；g为重力加速度，取9.81 N/kg；ν为风速，根据当地资料渡槽所在处最大风速为17 m/s。故由式(1)计算可得到基本风压w0=0.18 kN/m2。

根据《水工建筑物荷载设计规范》(DL 5077—1997)[10]，风荷载标准值计算公式为

wk=βzμzμsw0。

(2)

式中：wk为风荷载标准值；βz为高度z处的风振系数，按规范[10]取1.0；μz为风压高度变化系数，按照渡槽轴线距地面最大高度22.5 m计算，根据规范[10]可得μz=1.29；μs为风荷载体形系数，槽身高宽比H/B=2.34 m/3 m=0.78，计算得到空槽和满槽对应的风荷载体形系数为0.98和1.02。据式(2)得到空槽和满槽对应的风荷载标准值分别为0.23 kN/m2和0.24 kN/m2，均lt;0.25 kN/m2，按《水工建筑物荷载设计规范》(DL 5077—1997)[10]风荷载标准,取值为0.25 kN/m2。

3.3 水深计算

已知槽内设计流量、加大流量和实际流量，按照明渠均匀流量计算公式计算相应的水深,即

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(3)

式中：Q为渡槽的过水流量；A为槽身过水断面面积；R为水力半径；i为槽底比降，取1/1 000；n为槽身糙率，对于本例钢筋混凝土槽身取0.014。根据式(3)计算得到Q=6.59 m3/s，约等于实际流量6.55 m3/s，故本次水压力计算，实际流量对应的水深偏安全近似取圆弧半径1.500 m。

设计及加大流量的水深计算时，令水深为

H=r+Δh。

(4)

式中：r为圆弧半径；Δh为高出圆弧段水高度。则过水断面积A=0.5×3.14r2+2rΔh；水力半径R=A/(3.14r+2Δh)，将A和R代入式(3)中，方程为关于Δh的一元非整数幂方程，没有解析解，选用MATLAB的fsolve函数得出不同流量下的水深数值解。通过计算可得，设计流量8 m3/s时对应的水深为1.678 m，加大流量10 m3/s时对应的水深为1.943 m。

3.4 荷载组合

对渡槽的承载力极限状态和正常使用极限状态进行验算，主要考虑自重荷载、水荷载、人群荷载和风荷载的作用。荷载的组合参考规范[9]，具体组合见表1。

表1 槽身荷载组合

注：SG为自重荷载；SP为人群荷载；SQA,SQD,SQF、SQI分别为实际水荷载、设计水荷载、满槽水荷载、加大流量水荷载；SW为风荷载

4 有限元计算

4.1 槽身结构计算

根据上述分析，取单跨槽身建立ANSYS有限元模型进行内力计算。模型x轴与槽轴线平行，y轴正向为竖直向上，槽身、槽托结构采用有限应变壳单元，共5 664个。拉杆采用3D有限应变梁单元，共55个。槽身与排架约束形式按铰接处理，即槽左端与排架立柱连接位置按x,y,z方向位移约束，槽左端与排架立柱对应两节点仅作x,z方向的约束。计算主要分析跨中断面(1—1)、槽端断面(2—2)、槽顶直线加高段(4—4)、U形槽底(5—5)，计算中发现距槽端1 m处横断面弯矩和剪力偏大，补充距槽端1 m处横断面(3—3)内力分析，截面详细位置见图3。

图3 计算断面选取及内力方向规定Fig.3 Sketch of the calculation section and directions of internal forces

通过ANSYS的计算，得到在各工况下槽身内力值。对于纵向内力，计算得到槽身半圆下部轴力以受拉为主，承受外侧受拉弯矩，板壳面外剪力较小；而在竖直侧壁的直线段位置，槽身跨中存在轴向拉力，并且板壳内侧受拉。对于横向内力，计算发现槽身跨中轴力以受拉为主，承受外侧受拉弯矩，板壳面外剪力较纵向有所增加；在槽身端部，槽身存在轴向压力，并且板壳内侧承受受拉弯矩。图4中列举出部分截面内力计算值(轴力结果中正值代表受拉，负值代表受压)，其中图4(a)为承载力极限状态下跨中断面轴力计算结果，图4(b)为正常使用极限状态下槽底沿轴线计算结果。

图4 槽身各截面计算内力值Fig.4 Calculated values of internal forces of aqueduct body

4.2 排架结构计算

采用ANSYS对高度最高的排架进行有限元计算分析，此排架净高度为L=21.142 m，横梁数量为5个。有限元模型x轴与槽轴线平行、y轴正向为竖直向上；排架结构采用3D有限应变梁单元，单元长度为0.1 m，单元总数为578个；排架底部为固支约束，排架立柱顶部与槽身垫片处节点施加由槽身风荷载作用时空槽、满槽水的集中荷载，排架立柱xy平面承受z方向大小为0.25 kN/m2的均布风荷载作用。通过计算得到排架中柱和梁内力,见表2。

表2 排架内力计算结果Table 2 Calculated values of internal forces of bent structure

4.3 抗力分析

参考规范[9]，对槽身结构进行抗弯承载力、受压承载力、受拉承载力、受剪承载力和抗裂承载力进行计算。计算发现槽身各部位受力特性随位置变化差异较大，为安全起见，不适宜采用常规的渡槽单一设计承载力计算方法进行验算，而应针对每个位置的配筋和受力情况(偏心受拉、偏心受压或纯弯)分别进行抗力计算和校核。验算取3个典型断面进行比较，分别为槽身跨中、槽身端部以及距槽身端部1 m处。计算结果表明:槽身部分截面内力大于其极限承载力，结构存在较大的安全隐患，后期使用需进行加固处理；槽身各截面内力值较大，拉力与弯矩共同作用易使内侧壁上出现纵向裂缝。对排架立柱承载力按照偏心受压构件计算，排架横梁承载力按照纯弯构件计算。计算结果见表3，结果表明排架承载力设计值满足当前要求。表4中列出部分计算结果。

表3 排架计算结果Table 3 Calculation result of bent structure

表4 部分截面的计算结果比较Table 4 Comparison of the calculation results of some sections under load combinations

对排架进行稳定性计算，在满槽水加横向风压力下，背风面立柱承受最大竖向荷载，该柱在渡槽轴向是单柱性质。为了偏安全考虑，假定排架顶部水平变位的约束作用很小，因此按自由端自由的压杆公式计算柱顶临界荷载,即

P=π2EI/(4L2) 。

(5)

式中：P为临界荷载；E为排架材料的弹性模量，本例中E=2.80×104N/mm2；I为排架柱在渡槽轴向的截面惯性矩，本例中I=0.4×0.73/12=0.011 4 m4；L为柱的竖直高度，本例中L=21.142 m。计算得到P=1 762 kN，可知柱最大轴力为438.98 kN，故安全系数约为1 762/438.98=4.01，排架满足稳定性要求。

5 结 论

(1) 对渡槽和排架进行质量检测，发现：槽身存在若干裂缝、钢筋锈蚀等缺陷；槽身和排架混凝土强度检测值分别为29.5 MPa和33.4 MPa。

(2) 对风荷载和水深进行计算，得到风荷载标准值取值为0.25 kN/m2；实际流量、设计流量和加大流量下对应水深分别为1.500,1.678,1.943 m。

(3) 对槽身和排架进行ANSYS有限元建模计算，得到各截面处内力值。参考规范[9]计算槽身和排架的极限承载力，发现槽身各截面的承载能力较低，存在较大的安全隐患，需进行加固处理；排架承载力和稳定性均满足要求。

[1] 赵文华,陈德亮,颜其照,等. 渡槽[M].北京：水利电力出版社,1989.

[2] 孟祥敏, 孙明权. 钢筋混凝土渡槽病害及老化问题分析研究[J]. 人民黄河, 1995,(10):30-34.

[3] 楼梦麟,潘旦光,任志刚,等. 渡槽结构的抗震安全性分析[J]. 水利水电技术,2006,37(5):33-36,40

[4] 徐建国,王 博. 渡槽结构动力性能的有限元分析[J]. 郑州工业大学学报,1999,20(2):71-73.

[5] 高小翠,彭 琳. 大型预应力混凝土箱式渡槽有限元分析[J]. 中国农村水利水电,2003,(5):53-55.

[6] 李声平,彭翠玲,吴杰芳. 大型U形双渡槽结构动力分析[J]. 长江科学院院报,2005,22(4):68-71.

[7] 郑重阳,彭 辉,任德记. 南水北调中线工程泲河渡槽三维有限元分析[J]. 长江科学院院报,2013,30(5):86-91.

[8] GB 50288—99, 灌溉与排水工程设计规范[S].北京：中国计划出版社,1999.

[9] SL 191—2008, 水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国水利水电出版社,2009.

[10] DL 5077—1997, 水工建筑物荷载设计规范[S].北京：中国电力出版社,1998.

(编辑：赵卫兵)

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

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015210020201)

汪兴萌(1990-)，男，湖北鄂州人，助理工程师，硕士，研究方向为工程结构加固，(电话)13419500578 (电子信箱)wxm20090103@126.com。

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

TV672.3

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1001-5485(2017)11-0116-05