顧培英,王嵐嵐,鄧 昌,湯 雷

(1.南京水利科學研究院材料結(jié)構(gòu)研究所,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)

我國渡槽結(jié)構(gòu)典型破壞特征研究綜述

顧培英1,2,王嵐嵐1,2,鄧 昌1,2,湯 雷1,2

(1.南京水利科學研究院材料結(jié)構(gòu)研究所,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)

為合理模擬渡槽損傷,客觀評價渡槽結(jié)構(gòu)安全,依據(jù)渡槽破壞實例,結(jié)合他人數(shù)值仿真、模型試驗研究成果,歸納總結(jié)渡槽地震、風致、水毀、耐久性典型破壞特征。重點分析簡支梁式渡槽樁基、支撐結(jié)構(gòu)、槽身可能破壞模式。結(jié)果表明:樁基存在土體支承不足、樁身抗壓能力不足、樁頂位移超限破壞模式;墩底易發(fā)生彎曲或剪切破壞,牛腿易剪切破壞,排架柱兩端、連梁節(jié)點附近易破壞;槽身縱梁可能發(fā)生彎曲、剪切、彎剪組合失效,端橫梁易損傷,底板跨中及兩端、側(cè)墻與肋板底部、上部拉桿易開裂;渡槽還存在開裂、碳化、剝落剝蝕、滲漏、鋼筋銹蝕、接縫止水等耐久性破壞。

渡槽結(jié)構(gòu);破壞特征分析;破壞模式;簡支梁;綜述

我國是農(nóng)業(yè)大國,過去修建了大量用于灌溉的中小型渡槽,流量、跨度較小,結(jié)構(gòu)設(shè)計參照當時水工建筑及橋梁規(guī)范,未對結(jié)構(gòu)問題作專題研究。隨著南水北調(diào)工程與國內(nèi)水利基礎(chǔ)建設(shè)的興建,渡槽被廣泛采用,大型渡槽常采用預應(yīng)力新技術(shù),相關(guān)研究成果相繼出現(xiàn)。國外渡槽建造較少,研究文獻不多,且大多關(guān)注渡槽抗震問題,強調(diào)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[1]。長距離調(diào)水工程中,渡槽是一種重要的水工建筑物,一旦失效,直接和間接經(jīng)濟損失不可估量,社會影響深遠,有必要開展大跨度高架渡槽結(jié)構(gòu)安全評價技術(shù)研究。

國內(nèi)外對混凝土壩與橋梁結(jié)構(gòu)安全評價、混凝土結(jié)構(gòu)老化病害評估及損傷診斷已開展大量研究,筆者對大體積混凝土結(jié)構(gòu)(如重力壩)整體安全性也進行了某些嘗試[2-7],但國內(nèi)外渡槽結(jié)構(gòu)安全評價研究較少,特別是輸水狀態(tài)下結(jié)構(gòu)整體安全評價。筆者提出基于振動診斷技術(shù)的大跨度高架渡槽結(jié)構(gòu)安全評價技術(shù),該技術(shù)將損傷局部性與整體安全性有機聯(lián)系起來,實時掌握渡槽結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。為此需對渡槽結(jié)構(gòu)典型破壞特征有較為全面的了解,筆者首先依據(jù)收集到的國內(nèi)部分渡槽破壞實例,結(jié)合他人部分數(shù)值仿真、模型試驗研究成果,分析渡槽典型破壞特征。由于我國震災(zāi)嚴重,洪澇災(zāi)害頻繁,許多地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)大風(包括臺風)天氣,渡槽運行過程中常遭遇地震、臺風、洪澇導致的突發(fā)性破壞。針對多廂矩形或多槽U形預應(yīng)力簡支梁式重力槽墩或排架渡槽結(jié)構(gòu),重點分析了樁基、支撐結(jié)構(gòu)、槽身可能的破壞模式。

1 渡槽破壞實例及破壞特征分析

1.1 渡槽破壞實例

根據(jù)收集到的文獻資料[8-33],統(tǒng)計分析了國內(nèi)部分渡槽破壞實例,見表1。由表1可知,渡槽破壞原因主要包括地震、風致、水毀、耐久性問題(包括混凝土碳化、止水老化、凍融、腐蝕、水流沖刷、土體凍脹、不均勻沉降等)、超載破壞及設(shè)計不合理或施工質(zhì)量差等,其中地震、風致、水毀破壞具有突發(fā)性。

表1 部分渡槽破壞實例

續(xù)表1

1.2 地震破壞特征

依據(jù)收集到的國內(nèi)部分渡槽破壞實例,結(jié)合他人部分數(shù)值仿真、模型試驗研究成果,分析渡槽典型破壞特征。王博[34]采用擬靜力法得到高強混凝土渡槽支架模型破壞過程。研究得出當水平荷載增至最大荷載的45%～64%時,遠端排架連梁頂部和近端連梁底部出現(xiàn)垂直彎曲裂縫;荷載反向后,裂縫貫通。隨著水平荷載的反復施加,連梁端出現(xiàn)約45°方向交叉斜裂縫,遠端排架上端外側(cè)和下端內(nèi)側(cè)、近端排架上端內(nèi)側(cè)和下端外側(cè)相繼出現(xiàn)水平裂縫。隨著荷載的繼續(xù)增大與循環(huán)次數(shù)的增多,排架梁端剪切斜裂縫和柱腳處彎曲裂縫出現(xiàn)并發(fā)展,柱腳截面受壓側(cè)混凝土保護層剝落,之后相應(yīng)位置處縱向受力鋼筋屈服并向外凸出,形成以裂縫為中心逐步向兩側(cè)擴展的塑性鉸。試驗表明,排架兩端產(chǎn)生塑性鉸,呈延性破壞,進入處于非彈性階段后,變形主要集中在塑性鉸區(qū)。袁文陽[35]對矩形三槽簡支三向預應(yīng)力空心重力墩渡槽結(jié)構(gòu)進行動力有限元分析,槽墩最大應(yīng)力出現(xiàn)在墩帽頂部靠近支座部位,槽身應(yīng)力較大部位主要是下部縱梁、橫梁及上部拉桿。渡槽橡膠支座減震模型橫向、縱向地震時最大動應(yīng)力分別在槽身中墻根部、槽墩底部。槽墩模型破壞形態(tài)表明,強震時槽墩發(fā)生縱向彎曲破壞,破壞部位位于槽墩基礎(chǔ)以上1/4高度范圍內(nèi)。徐建國等[36]采用渡槽薄壁結(jié)構(gòu)彈塑性動力分析模型,對矩形薄壁簡支預應(yīng)力結(jié)構(gòu)開展非線性地震響應(yīng)計算分析,結(jié)果表明,強震作用下除槽臺附近的渡槽端部、中跨跨中位置和排架柱根部進入一定程度的非線性狀態(tài)外,其余部位均處于線彈性工作狀態(tài),非線性狀態(tài)部位首先出現(xiàn)破壞。劉琨等[37]對大跨度箱形簡支預應(yīng)力渡槽進行三維有限元法地震響應(yīng)數(shù)值分析,結(jié)果表明槽墩與基礎(chǔ)接觸面背風側(cè)出現(xiàn)局部拉裂破壞。馮奕[38]對U形排架渡槽采用三維CAD/CAE分析模型,通過多點多維地震波作用下的動力時域分析,得到混凝土損傷破壞主要集中在排架柱與蓋梁和承臺交接處、蓋梁靠近支座部位、槽身端部及槽身與支座連接部位,其中排架柱與蓋梁、承臺交接部位最早出現(xiàn)地震損傷。何祥瑞等[39]采用二維線彈性模型擴展有限元法對U形排架渡槽進行計算分析,結(jié)果表明渡槽結(jié)構(gòu)連梁與排架柱節(jié)點、排架柱腳是排架渡槽的抗震薄弱部位。

實際工程(陜西漢中市石門水庫灌區(qū)瀝水溝渡槽、四川玉溪河引水工程團結(jié)渡槽和大石板渡槽)表明,架空結(jié)構(gòu)對地震效應(yīng)非常敏感,尤其是高度或跨度大的架空結(jié)構(gòu)水平地震作用響應(yīng),其破壞主要集中在下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)部分,渡槽槽墩及下部基礎(chǔ)作為渡槽的支撐結(jié)構(gòu),對渡槽整體安全穩(wěn)定至關(guān)重要[37]。

1.3 風致破壞特征

從調(diào)查到的渡槽(湖北棗陽滾河渡槽、湖北孝感下分場渡槽、廣西上思縣那布渡槽和湖北宜昌宋家嘴渡槽)風致破壞實際狀況看,渡槽均是在順風向風力作用下,沿渡槽橫向(與輸水方向垂直)倒塌,順風向破壞為結(jié)構(gòu)的主要破壞形式[40]。這主要是由于風載作用于渡槽槽體,造成槽體橫向位移過大,從而導致槽墩或支撐排架無法承受而出現(xiàn)破壞。渡槽風致破壞具有突發(fā)毀滅性。

目前渡槽設(shè)計已對風載作用有較為清楚的認識,抗風設(shè)計得到重視,一般情況下這類新建渡槽風致破壞的可能性不大,除非出現(xiàn)實際風載遠大于設(shè)計值的極端臺風天氣。

1.4 水毀破壞特征

根據(jù)甘肅白銀市靖會電力提灌工程總干二泵祖厲河渡槽和陜西寶雞市馮家山水庫灌區(qū)北干渠肖家橋渡槽工程實例并結(jié)合其他水毀破壞情況[41],渡槽水毀破壞最終是由地基變形引起,主要有以下兩種情況:①大多數(shù)渡槽修建于河床上,基礎(chǔ)往往會遭遇水流沖刷、挖沙船挖沙、洪水襲擊,地基易被掏空,加之洪水長時間浸泡,地基承載力下降且不均勻,導致基礎(chǔ)不均勻沉降,引起槽身傾斜或開裂,甚至出現(xiàn)基礎(chǔ)被沖毀,渡槽整體倒塌的現(xiàn)象。②對于非河床式渡槽,若遭遇暴雨洪澇災(zāi)害,地基被洪水長時間浸泡,同樣會導致基礎(chǔ)不均勻沉降,甚至會引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,造成槽身傾斜或開裂,甚至基礎(chǔ)被沖毀,渡槽整體倒塌。

1.5 耐久性破壞表現(xiàn)形式

渡槽耐久性破壞主要包括混凝土裂縫、混凝土碳化、鋼筋銹蝕、混凝土剝落或剝蝕、滲漏、地基變形(尤其是不均勻沉降)等。

a. 混凝土裂縫?；炷亮芽p是渡槽結(jié)構(gòu)最常見的病害形式,一般位于槽身和支承結(jié)構(gòu)上。裂縫主要有以下兩種:①結(jié)構(gòu)性裂縫(又稱受力裂縫),由承載能力不足引起;②非結(jié)構(gòu)性裂縫,主要由變形引起。裂縫具有直觀性,不同原因引起的裂縫具有不同特征,裂縫分布及擴展程度不同,結(jié)構(gòu)受損程度亦不同。嚴重開裂將破壞結(jié)構(gòu)整體性,削弱結(jié)構(gòu)承載力,影響渡槽正常運行,甚至喪失承載能力而毀損。同時,渡槽裂縫會導致其他病害的發(fā)生、發(fā)展,如環(huán)境水侵蝕、滲漏溶蝕、凍融破壞、混凝土碳化和鋼筋銹蝕等,以上病害與裂縫病害惡性循環(huán),對渡槽耐久性產(chǎn)生較大危害。

b. 混凝土碳化與鋼筋銹蝕。以下情況會引起鋼筋銹蝕:①混凝土碳化;②混凝土中含有硫酸鹽、氯離子;③外在侵蝕性介質(zhì)滲入;④應(yīng)力腐蝕。鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)性能影響如下:①鋼筋與混凝土間黏結(jié)力降低,發(fā)生黏結(jié)破壞;②鋼筋有效截面面積減小,鋼筋承載力降低;③鋼筋銹蝕后體積膨脹,引起混凝土開裂、剝落,截面有效尺寸減小,結(jié)構(gòu)承載力降低。

c. 混凝土剝落或剝蝕。混凝土剝落或剝蝕破壞是一個由表及里、由淺到深的破壞過程,引起因素如下:①水流沖刷;②混凝土質(zhì)量差,暴露在空氣中出現(xiàn)風化或剝落現(xiàn)象;③凍融作用;④混凝土碳化;⑤侵蝕性介質(zhì)作用。

d. 滲漏。渡槽滲漏原因如下:①槽身裂縫,尤其是貫穿性裂縫;②止水結(jié)構(gòu)失效;③混凝土施工質(zhì)量差。渡槽滲漏導致水量損失,引起或加劇混凝土溶蝕、侵蝕、鋼筋銹蝕等病害,加速渡槽老化,影響結(jié)構(gòu)耐久性。此外,還可能沖蝕基礎(chǔ)及岸坡,危及渡槽整體穩(wěn)定。

e. 地基變形。渡槽地基變形包括如下情況:①地基不均勻沉降,縱向會使槽身產(chǎn)生錯位或拉裂,橫向則會引起槽墩或排架傾斜,影響渡槽正常運行;②進出口段滲漏及沉降,由于我國早期修建的很多渡槽的槽身與渠道進出口連接段置于填方基礎(chǔ)上,填土質(zhì)量差,部分未采取有效防滲或排水措施,過水時在滲流作用下,容易引起槽身與連接段錯動、止水拉裂,可能發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞,危及渡槽邊跨基礎(chǔ)及排架安全;③土體凍脹導致基礎(chǔ)變形,如基礎(chǔ)上抬或拉斷,由于基礎(chǔ)各處土壤性質(zhì)、含水量不同,上抬不均勻,縱向槽身呈“羅鍋形”,橫向支承結(jié)構(gòu)傾斜,產(chǎn)生平面彎曲，可能導致槽身漏水、槽墩(架)傾斜、邊坡失穩(wěn),甚至整體倒塌等嚴重后果。

我國北方大部分地區(qū)每年約在11月份進入凍結(jié)期,并持續(xù)5個月左右，最大凍土層深度達1.5 m。水工建筑物凍害發(fā)生普遍,涵、閘、渡槽、渠道、橋梁和擋土墻等中小型建筑物的凍脹、融沉、滑坡破壞更為突出,往往建成第一年冬季即出現(xiàn)上抬、裂縫和嚴重變形,并逐年加劇,有些3～5 a即完全破壞[42]。北方不少渡槽因基礎(chǔ)凍害發(fā)生不同程度的斷裂、傾斜、上抬等破壞,最終使渡槽無法運行。例如黑龍江佳木斯樺南縣共和灌區(qū)南干渠鋼渡槽中間樁基凍拔上抬,向陽山三合干渠清茶渡槽也因凍害導致槽身上抬,新興八支渠渡槽因凍害而毀棄等[43]。

位于寒旱區(qū)的西部,由于獨特的地理和氣候特點,地面灌溉造成土地大量鹽分滯留和堆聚,致使結(jié)構(gòu)遭到侵蝕破壞,加之凍融交替環(huán)境因素影響,導致寒旱地區(qū)渡槽結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)遭受嚴重破壞。據(jù)統(tǒng)計,我國西部地區(qū)水工混凝土建筑物70%的破壞受損與凍融破壞、硫酸鹽侵蝕、氯離子侵蝕有關(guān),其中35%左右因嚴重鹽凍破壞而導致提前失效[16]。

2 簡支梁式渡槽結(jié)構(gòu)破壞模式

渡槽由槽身、支撐結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)及進出口建筑物等部分組成,有多種可能破壞模式,不同結(jié)構(gòu)類型有不同的破壞模式,目前大型渡槽多為多廂矩形或多槽U形預應(yīng)力簡支梁式重力槽墩或排架渡槽,基礎(chǔ)多為混凝土樁基礎(chǔ)[44]。根據(jù)上述小型渡槽破壞實例、部分大型渡槽模型試驗及數(shù)值仿真研究成果,重點分析簡支梁式渡槽結(jié)構(gòu)樁基、支撐結(jié)構(gòu)、槽身的破壞模式。

2.1 樁基破壞模式

樁基按承載性狀分為摩擦型樁和端承型樁兩大類。摩擦型樁在承載能力極限狀態(tài)下,樁頂傳來的豎向荷載全部或大部分由樁側(cè)摩阻力承擔,根據(jù)樁側(cè)摩阻力分擔比不同,摩擦型樁又分為摩擦樁和端承摩擦樁兩種:①摩擦樁,豎向荷載全部由樁側(cè)摩阻力承擔,端承力可忽略不計;②端承摩擦樁,荷載大部分由樁側(cè)摩阻力承擔,端承力只占一小部分。端承型樁在承載能力極限狀態(tài)下,豎向荷載全部或大部分由樁端承擔,同樣端承型樁又分為端承樁和摩擦端承樁兩種:①端承樁,豎向荷載全部由端承力承擔,樁側(cè)摩阻力可忽略不計;②摩擦端承樁,荷載大部分由端承力承擔,樁側(cè)摩阻力只占其中一小部分。

樁基主要有3種破壞模式:①土體支承力不足,樁尖持力層較軟的打入樁和孔底沉積較厚的鉆孔灌注樁屬于摩擦樁,當樁側(cè)摩阻力不足以抵抗樁頂荷載時,發(fā)生刺入破壞;②樁身抗壓能力不足,對于端承樁或樁身有缺陷的摩擦型樁,樁側(cè)摩阻力尚未充分發(fā)揮,但因樁身抗壓能力不足,會導致上部荷載作用下樁身混凝土被壓碎;③樁頂位移超過設(shè)計允許值,持力層為砂土、粉土的打入樁或擴底樁屬于端承摩擦樁或摩擦端承樁,端承力分擔比較大,端承力破壞需較大位移,土體支承力尚未達到極限狀態(tài),但樁頂位移往往會超過設(shè)計允許值。

渡槽水毀破壞實例表明,破壞最終是由地基變形引起的,對于樁基而言,水毀對短樁危害性較大,尤其是對荷載全部或大部分由樁側(cè)摩阻力承載的短摩擦型樁。

結(jié)合渡槽耐久性破壞中的土體凍脹破壞實例,對于樁基(多為摩擦型樁)而言,樁側(cè)摩阻力除承擔上部荷載外,還承受凍拔作用。在非凍土區(qū),主要根據(jù)地基承載力確定樁基埋深,根據(jù)上部荷載設(shè)計其截面尺寸及配筋。凍土區(qū)摩擦型樁的設(shè)計除此之外,還應(yīng)滿足地基土切向凍脹力作用下結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和樁身強度要求,凍深較深地區(qū)凍脹力往往是樁長及配筋設(shè)計的控制條件。早期建成的小型渡槽由于上部結(jié)構(gòu)及槽內(nèi)水體自重較小,樁長較短,樁基抗凍拔能力較差,凍土區(qū)土體凍脹問題較為突出。對于目前新建或?qū)⒔ǖ拇笮投刹?由于上部結(jié)構(gòu)及水體自重大,樁長較長,樁基(包括摩擦型樁、端承型樁)抗凍拔能力較強,較少出現(xiàn)土體凍脹破壞。

此外,對于受地下水硫酸鹽、氯離子等侵蝕腐蝕破壞的樁基,需在地下水位干濕交替區(qū)加強防腐蝕處理,以保證樁基的承載力。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)破壞模式

渡槽支撐結(jié)構(gòu),支撐渡槽上部結(jié)構(gòu)并將上部荷載傳遞至基礎(chǔ),在地震中易損傷破壞,其抗震性能直接影響渡槽整體結(jié)構(gòu)抗震能力。擬重點分析重力式槽墩、排架兩種支撐結(jié)構(gòu)破壞模式。

2.2.1 重力式槽墩

袁文陽[35]對槽墩開展的模型試驗表明,強震時槽墩發(fā)生縱向彎曲破壞,破壞位于槽墩基礎(chǔ)以上1/4高度范圍內(nèi)。劉琨等[37]進行的渡槽地震響應(yīng)數(shù)值分析可知,槽墩與基礎(chǔ)接觸面背風側(cè)出現(xiàn)局部拉裂破壞。由于渡槽重力式槽墩研究成果較少,但在某種程度上與橋墩類似,所以這里還借鑒了部分橋墩破壞模式研究成果。對于橋梁而言,強震作用下鋼筋混凝土橋墩破壞模式主要為彎曲、剪切、彎剪、扭轉(zhuǎn)及彎扭破壞等[45]，其中前3種破壞模式較為常見。孫治國等[46]根據(jù)剪切與彎曲變形比值關(guān)系提出了橋墩破壞模式判別標準。艾慶華[47]通過振動臺試驗可知,橋墩試件具有良好箍筋約束時,呈水平開裂破壞;小剪跨比和低配箍率時,小震后多為水平裂縫,中震后裂縫呈斜向發(fā)展,小剪跨比下剪切裂縫更為明顯。剪跨比為決定橋墩破壞模式的重要影響因素,高柔結(jié)構(gòu)一般呈彎曲破壞特征,矮剛結(jié)構(gòu)呈剪切破壞特征[48]。渡槽地震破壞實例也表明,支撐墩牛腿剪跨比較小,均發(fā)生剪切破壞。

由此可見,強震作用下渡槽槽墩底部易發(fā)生彎曲或剪切破壞,牛腿易發(fā)生剪切破壞。結(jié)合耐久性破壞實例分析,槽墩也不可避免存在耐久性破壞。

2.2.2 排架

王博[34]的渡槽結(jié)構(gòu)模型破壞試驗結(jié)果表明,混凝土排架兩端形成塑性鉸,呈延性破壞,進入非彈性階段后,變形主要集中在塑性鉸區(qū)。徐建國等[36]通過渡槽結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)計算分析,得出強震作用下渡槽排架柱根部進入一定程度的非線性狀態(tài),形成塑性鉸。馮奕[38]認為地震過程中,損傷最早出現(xiàn)在排架柱與蓋梁、承臺交接部位。何祥瑞等[39]計算分析表明,渡槽結(jié)構(gòu)連梁與排架柱節(jié)點、排架柱腳是排架渡槽的抗震薄弱部位。

結(jié)合渡槽排架耐久性破壞實例(湖北宜昌宋家嘴渡槽被大風吹垮,剛架橫梁首先發(fā)生破壞,導致整個排架結(jié)構(gòu)倒塌[18]),排架往往存在開裂、碳化、混凝土剝落或剝蝕、鋼筋銹蝕等破壞。

總的來說，渡槽排架除一般耐久性破壞外,在強震、大風作用下,排架柱兩端、連梁與排架柱節(jié)點附近也易發(fā)生破壞。

2.3 槽身破壞模式

袁文陽[35]計算結(jié)果表明,槽身應(yīng)力較大部位主要是下部縱梁、橫梁及上部拉桿,渡槽橡膠支座減震模型橫向、縱向地震時最大動應(yīng)力分別發(fā)生在槽身中墻根部、槽墩底部。徐建國等[36]得出強震作用下渡槽中跨跨中位置進入一定程度的非線性狀態(tài),形成塑性鉸。馮奕[38]動力時域分析表明,地震作用下U形渡槽槽身兩端存在損傷破壞。

結(jié)合槽身耐久性破壞實例分析,槽身往往存在開裂、碳化、混凝土剝落或剝蝕、滲漏、鋼筋銹蝕等破壞。此外,槽身接縫止水也經(jīng)常發(fā)生老化破壞。對于一般矩形截面渡槽,槽身各部件破壞模式分析如下[49]:①側(cè)墻,側(cè)墻有可能由于底部彎矩過大遭受破壞或迎水面開裂。②底板,底板跨中截面最易拉裂。③縱梁,縱梁兩端擱置于承臺上,梁上作用槽身傳遞的自重和水重,可視為簡支梁,縱梁可能在彎曲或剪切、彎剪組合作用下失效?？缰薪孛妗⑴R近支座截面及兩者之間分別存在彎曲、剪切及彎剪組合失效的可能性。④肋板與拉桿,只有當其他部分變形破壞后才會發(fā)生肋板與拉桿破壞。肋板可按懸臂梁考慮,承擔側(cè)板傳遞的靜水壓力,其底部可能因抗彎能力不足而破壞。頂部拉桿可按桿件考慮,主要承受軸力,可能因抗拉能力不足被拉斷。

3 結(jié) 語

筆者依據(jù)收集到的國內(nèi)部分渡槽破壞實例,結(jié)合他人部分數(shù)值仿真、模型試驗研究成果,分析我國渡槽典型破壞特征。渡槽運行過程中,除存在一般性破壞外,還會遭遇地震、臺風、洪澇導致的突發(fā)性破壞。針對多廂矩形或多槽U形預應(yīng)力簡支梁式重力槽墩或排架渡槽結(jié)構(gòu),重點分析了樁基、支撐結(jié)構(gòu)、槽身可能的破壞模式。

樁基存在土體支承力不足、樁身抗壓能力不足、樁頂位移超過設(shè)計允許值3種破壞模式。槽墩在強震作用下,槽墩底部易發(fā)生彎曲或剪切破壞,牛腿易發(fā)生剪切破壞;排架在強震、大風作用下,排架柱兩端、連梁與排架柱節(jié)點附近易發(fā)生破壞。槽身下部縱梁可能發(fā)生彎曲、剪切、彎剪組合失效,槽身下部端橫梁易損傷,槽身底板跨中及兩端、側(cè)墻底部、肋板底部、上部拉桿易開裂。除此之外,渡槽還不可避免存在開裂、碳化、混凝土剝落或剝蝕、滲漏、鋼筋銹蝕、接縫止水等耐久性破壞。

[ 1 ] 袁純強.大型渡槽剪力滯效應(yīng)的研究[D].上海:同濟大學,2007.

[ 2 ] 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.(GU Peiying,HUANG Qinhong,DENG Chang,et al.Damaged probability of concrete for hydraulic structure based on renormalization group theory[J].Hydro-science and Engineering,2010(4):1-5.(in Chinese))

[ 3 ] GU Peiying,DENG Chang,TANG Lei.Determination of local damage probability in concrete structure[C]//2012 International Conference on Modern Hydraulic Engineering.Nanjing: China Association of Hydraulic Engineering Education,2012:489-493.

[ 4 ] GU Peiying,DENG Chang,ZHANG Daosheng,et al.Probability of overall collapse for concrete gravity dam based on renormalization group theory of unequal probability unit[C]//The 2nd SREE Conference on Hydraulic Engineering (CHE 2013).London: CRC Press,2014:135-140.

[ 5 ] 顧培英,鄧昌,湯雷.基于重整化群方法的三棱柱單元整體破壞概率模型[J].水利水電科技進展,2014,34(3):16-19,80.(GU Peiying,DENG Chang,TANG Lei.A model of overall damage probability of triangular prism unit based on renormalization group method[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2014,34(3):16-19,80.(in Chinese))

[ 6 ] 顧培英,鄧昌,湯雷.基于重整化群有限原胞級整體安全性分級評價[J].河海大學學報(自然科學版),2014,42(4):355-360.(GU Peiying,DENG Chang,TANG Lei.Safety classification evaluation of an overall structure based on limited primitive cell level using renormalization group theory[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2014,42(4):355-360.(in Chinese))

[ 7 ] 顧培英,鄧昌,肖仕燕,等.基于二維逾滲相變重整化群的混凝土重力壩斷面破壞評價[J].水利水電科技進展,2015,35(6):31-36,85.(GU Peiying,DENG Chang,XIAO Shiyan,et al.Development of cross-section damage based on two-dimensional percolation transition with renormalization group theory for concrete gravity dam[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2015,35(6):31-36,85.(in Chinese))

[ 8 ] 李遇春.渡槽風工程研究[D].上海:同濟大學,2001.

[ 9 ] 李遇春.某雙懸臂渡槽風致破壞原因分析[J].同濟大學學報(自然科學版),2008,36(11):1485-1489.(LI Yuchun.Wind damage mechanism analysis of a double-cantilever aqueduct bridge[J].Journal of Tongji University(Natural Sciences),2008,36(11):1485-1489.(in Chinese))

[10] 李遇春.滾河渡槽風致破壞機理分析[C]//第七屆(2006)全國風工程和工業(yè)空氣動力學學術(shù)會議.成都:西南交通大學,2006:185-190.

[11] 范昌德,陳正堂.靖會電力提灌工程志[M].蘭州:甘肅人民出版社,1994.

[12] 潘旦光,樓夢麟,李遇春.渡槽風毀事例分析[J].水利學報,2001,32(9):92-96.(PAN Dangguan,LOU Menglin,LI Yuchun.Case study of a wind-destroyed aqueduct[J].Journal of Hydraulic Engineering,2001,32(9):92-96.(in Chinese))

[13] 李洪升,張小鵬,李光偉.合理考慮凍脹力的結(jié)構(gòu)物設(shè)計原則[J].土木工程學報,1993,26(5):77-80.(LI Hongsheng,ZHANG Xiaopeng,LI Guangwei.Design principle of structure considered frost force[J].China Civil Engineering Journal,1993,26 (5):77-80.(in Chinese))

[14] 常風生,張頂山,姜文俊,等.張沙布渡槽樁柱破壞的成因及維修[J].東北水利水電,2004,22(2):35-36.(CHANG Fengsheng,ZHANG Dingshan,JIANG Wenjun,et al.Cause and repair of pile damage in Zhangshabu Aqueduct[J].Water Resources & Hydropower of Northeast China,2004,22 (2):35-36.(in Chinese))

[15] 戴星亮.鋼筋混凝土薄殼渡槽破壞機理與防治對策研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2009.

[16] 常周梅.寒旱區(qū)渡槽排架的侵蝕破壞機理及結(jié)構(gòu)性態(tài)分析[D].鄭州:華北水利水電大學,2014.

[17] 閆立泰.渡槽防滲漏處理措施初探[J].中國農(nóng)村水利水電,2009(6):143-144.(YAN Litai.Anti seepage treatment measures of aqueduct[J].China Rural Water and Hydropower,2009(6):143-144.(in Chinese))

[18] 李遇春,樓夢麟.某排架式渡槽風致破壞機理分析[J].中國農(nóng)村水利水電,2002(9):38-40.(LI Yuchun,LOU Menglin.Wind damage mechanism analysis of bent aqueduct[J].China Rural Water and Hydropower,2002(9):38-40.(in Chinese))

[19] 龐勇.渡槽排架出現(xiàn)裂縫的原因及處理措施[J].甘肅科技,2012,28(6):123-124.(PANG Yong.Causes and treatment measures of crack about aqueduct frame[J].Gansu Science and Technology,2012,28(6):123-124.(in Chinese))

[20] 郭俊晟.渡槽裂縫產(chǎn)生的原因及加固補強技術(shù)應(yīng)用[J].甘肅科技,2013,29(2):105-106.(GUO Juncheng.Causes and reinforcement technology of aqueduct crack[J].Gansu Science and Technology,2013,29(2):105-106.(in Chinese))

[21] 趙永定.工程凍害問題淺析[J].陜西水利,1997(2):30-31.(ZHAO Yongding.Simple analysis offreeze problems in engineering[J].Shaanxi Water Resources,1997 (2):30-31.(in Chinese))

[22] 胡玉棠.渡槽設(shè)計中的幾點體會[J].浙江水利科技,2001(增刊1):52,54.(HU Yutang.Experience of designing aqueducts[J].Zhejiang Hydrotechnics,2001(Sup1):52,54.(in Chinese))

[23] 石向榮.預應(yīng)力鋼筋混凝土矩形渡槽槽身設(shè)計[J].浙江水利科技,2002(5):13-14.(SHI Xiangrong.Design of prestressed concrete rectangular flume[J].Zhejiang Hydrotechnics,2002 (5):13-14.(in Chinese))

[24] 樊宏孝,高曉婷,王鳳玲.馮家山水庫灌區(qū)北干渠肖家橋渡槽水毀事故原因分析[J].西北水電,2008(3):21-22.(FAN Hongxiao,GAO Xiaoting,WANG Fengling.Analysis of the cause of Xiaojiaqiao Aqueduct Failure[J].Northwest Water Power,2008(3):21-22.(in Chinese))

[25] 姜波,聶龍濤,聶婷雯.工農(nóng)兵灌區(qū)渡槽滲漏成因分析及修補措施[J].黑龍江水利科技,2012,40(3):294.(JIANG Bo,NIE Longtao,NIE Tingwen.Causes and treatment measures of aqueduct seepage[J].Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy,2012,40(3):294.(in Chinese))

[26] 和志國.固海揚水工程渡槽防滲加固處理的探討[J].水利建設(shè)與管理,2010 (6):57-59.(HE Zhiguo.Reinforcement treatment of aqueduct seepagein Guhai Engineering[J].Water Resources Development & Management,2010 (6):57-59.(in Chinese))

[27] 杜宇旭,張玲.固海揚水渠道工程老化評價中數(shù)學模型的應(yīng)用[J].寧夏工程技術(shù),2008,7(1):87-91.(DU Yuxu,ZHANG Ling.The applicaton of project aging appraisal mathematical model in channels of Guhai Water-lifting Project[J].Ningxia Engineering Technology,2008,7(1):87-91.(in Chinese))

[28] 韓曉,榮楊莉.瀝水溝渡槽震損恢復重建設(shè)計研究[J].陜西水利,2015 (2):163-165.(HAN Xiao,RONG Yangli.Reconstruction design of aqueduct earthquake damage[J].Shaanxi Water Resources,2015 (2):163-165.(in Chinese))

[29] 王亞紅,王正中,林凱生.瀝水溝渡槽槽身過流能力復核[J].人民黃河,2011,33(1):117-118.(WANG Yahong,WANG Zhengzhong,LIN Kaisheng.Flow capacity check of aqueduct[J].Yellow River,2011,33(1):117-118.(in Chinese))

[30] 郭毅.玉溪河灌區(qū)“4·20”地震團結(jié)渡槽震損應(yīng)急修復淺析[J].城市建設(shè)理論研究,2014.Doi:10.3969/j.issn.2095-2104.2014.03.0303.(GUO Yi.Simple analysis of emergency repair about aqueduct earthquake damagein 4·20 earthquake[J].Urban Construction Theory Research,2014.Doi:10.3969/j.issn.2095-2104.2014.03.0303.(in Chinese))

[31] 袁松濤.大石板渡槽承臺牛腿裂縫加固技術(shù)淺談[J].四川水利,2014,35(1):25.(YUAN Songtao.Reinforcement technology of aqueduct crack in cap corbel[J].Sichuan Water Conservancy,2014,35(1):25.(in Chinese))

[32] 趙家成,張亮亮,潘青松.某渡槽結(jié)構(gòu)的老化成因分析及修復措施[J].山西建筑,2016,42(2):22-24.(ZHAO Jiacheng,ZHANG Liangliang,PAN Qingsong.The cause analysis and maintenance measures of an aqueduct structure of aging[J].Shanxi Architecture,2016,42(2):22-24.(in Chinese))

[33] 潘青松,趙家成,張亮亮.老林河渡槽的老化現(xiàn)狀及成因的分析[J].災(zāi)害與防治工程,2014(2):39-43.(PAN Qingsong,ZHAO Jiacheng,ZHANG Liangliang.Present situation and causes of aging of Laolin River Aqueduct[J].Disaster and Control Engineering,2014 (2):39-43.(in Chinese))

[34] 王博.大型渡槽結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析理論與應(yīng)用[D].上海:同濟大學,2000.

[35] 袁文陽.大型渡槽結(jié)構(gòu)抗震分析與模型試驗研究[D].武漢:武漢大學,2001.

[36] 徐建國,王博,陳淮,等.大型渡槽結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)分析[J].世界地震工程,2006,22(4):35-40.(XU Jianguo,WANG Bo,CHEN Huai,et al.Non-linear earthquake response analysis of a large-scale aqueduct[J].World Earthquake Engineering,2006,22(4):35-40.(in Chinese))

[37] 劉琨,段亞輝.基于有限元法的大跨度預應(yīng)力渡槽地震響應(yīng)分析[J].中國農(nóng)村水利水電,2011(6):121-124,128.(LIU Kun,DUAN Yahui.Seismic response analysis of long-span prestressed aqueduct based on finite element method[J].China Rural Water and Hydropower,2011(6):121-124,128.(in Chinese))

[38] 馮奕.基于三維設(shè)計平臺的輸水結(jié)構(gòu)隨機地震破壞風險分析[D].天津:天津大學,2012.

[39] 何祥瑞,張華,紀愛麗.基于XFEM的渡槽單向地震動作用下裂紋開展分析[J].水資源與水工程學報,2016,27(1):186-189.(HE Xiangrui,ZHANG Hua,JI Aili.Analysis of crack growth of aqueduct under effect of single dimensional earthquake force based on XFEM[J].Journal of Water Resources and Water Engineering,2016,27(1):186-189.(in Chinese))

[40] 李遇春.高排架渡槽風振的計算方法[J].同濟大學學報(自然科學版),2002,30(2):139-145.(LI Yuchun.Computing method of wind-induced vibration for tall-bent aqueduct[J].Journal of Tongji University(Natural Sciences),2002,30(2):139-145.(in Chinese))

[41] 黎定國.渡槽水毀破壞及加固處理[C]//第八屆全國水利水電工程青年學術(shù)討論會.南昌:江西省南昌水利水電高等?？茖W校,2000:43-45.

[42] 李超.水工混凝土抵御凍融破壞對策研究[J].水利天地,2012 (6):30-31.(LI Chao.Study on the countermeasure of hydraulic concrete to freezing and thawing damage[J].Water Conservancy World,2012 (6):30-31.(in Chinese))

[43] 徐長華,滿守耀.寒區(qū)渡槽凍害防治措施[J].黑龍江水利科技,2011,39(6):283-284.(XU Changhua,MAN Shouyao.Prevention measures of aqueduct frost damage in cold region[J].Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy,2011,39(6):283-284.(in Chinese))

[44] 夏富洲,王長德,曹為民,等.大流量預應(yīng)力渡槽設(shè)計和施工技術(shù)研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2009,7(6):20-25.(XIA Fuzhou,WANG Changde,CAO Weimin,et al.Research on design and construction technology for large flow prestressed concrete aqueduct[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology,2009,7 (6):20-25.(in Chinese))

[45] 韓強,董慧慧,郭婕.考慮強度和剛度退化及捏攏效應(yīng)的鋼筋混凝土橋墩滯回模型及其參數(shù)識別[J].振動工程學報,2015,28(3):381-393.(HAN Qiang,DONG Huihui,GUO Jie.Hysteresis model and parameter identification of RC bridge piers considering strength and stiffness degradation and pinching effect[J].Journal of Vibration Engineering,2015,28(3):381-393.(in Chinese))

[46] 孫治國,李宏男,王東升,等.RC橋墩彎剪破壞判別準則與抗震分析的改進模型[J].中國公路學報,2015,28(6):42-50.(SUN Zhiguo,LI Hongnan,WANG Dongsheng,et al.Discrimination criterion governing flexural-shear failure modes and improved seismic analysis model for RC bridge piers[J].China Journal of Highway and Transport,2015,28(6):42-50.(in Chinese))

[47] 艾慶華.鋼筋混凝土橋墩抗震性態(tài)數(shù)值評價與試驗研究[D].大連:大連理工大學,2008.

[48] 李永哲.鋼筋混凝土橋墩彈塑性變形及塑性鉸區(qū)特性研究[D].北京:北京交通大學,2004.

[49] 賈超.基于可靠度的結(jié)構(gòu)風險分析及其在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用研究[D].南京:河海大學,2003.

ReviewoftypicalfailurecharacteristicsofaqueductstructuresinChina

GU Peiying1,2，WANG Lanlan1,2，DENG Chang1,2，TANG Lei1,2

(1.MaterialsandStructuralEngineeringDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China；2.KeylaboratoryofWaterScienceandEngineering,MinistryofWaterResources,Nanjing210029,China)

In order to simulate the aqueduct damage and evaluate the structure safety in a reasonable way, aqueduct failure characteristics were summarized and analyzed based on failure living examples existing research results of numerical simulations and model tests. The typical failure characteristics of aqueducts caused by earthquake, high wind, flood and durability were summarized. The possible failure modes of the pile foundation, the support structure and the aqueduct body for aqueduct structures of simple supported beam typeswere mainly analyzed. Firstly, the failure modes of the pile foundation includes three types, insufficientsoilbearing, insufficient compression strength of the pile and the displacement of the pile tip exceeding limitingvalues. Secondly, bending or shear failure may occur at the pier-bottom. Shear failure may occur at the corbel. Failures tend to occur at the ends of a bent fame column and around the joints of a coupling beam. Thirdly, failure types of bending, shear or shear-bending may occur at the longitudinal beam. The end floor beams, the mid-span and ends of a bottom plate, the bottom of side walls, the bottom of rib plates and the upper tie bars are easy to be damaged. Furthermore, there are many durabilitydamages, such as cracks, concrete carbonation, concrete scaling, leakage, reinforcement corrosion and seal damage.

aqueduct structures；failure characteristics analysis；failure modes；simple supported beam；review

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0401807)

顧培英(1968—),女,教授級高級工程師,博士,主要從事結(jié)構(gòu)健康診斷、安全評估、抗震及振動控制研究。E-mail:pygu@nhri.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.001

TV332

：A

：1006-7647(2017)05-0001-08

2016-10-26 編輯：駱 超)