美国布坎南坝使用寿命研究

[] T.

布坎南坝是美国最大的连拱坝之一，于1937年建成，具有蓄水和发电综合效益，该坝的建成形成了布坎南湖，业主是科罗拉多河下游管理局(LCRA)。

作为综合设施评估的一部分，在选取拱断面进行结构分析时发现，梁托在强度和延展性上有缺陷。

为了提高梁托的强度，估计维修成本约为1 500万～3 000万美元。在大规模施工之前，LCRA委托福瑞斯-尼克尔斯公司进行了详细评估，包括二维有限元模型的建立、材料特性检测，结构物理模型研究和外观检查，以确定梁托的潜在失稳机理和强度。

基于材料检测结果，物理模型研究包括构建梁托破坏的代表性剖面及试验。模型研究表明，破坏是由于混凝土断面产生的拉张裂缝引起的，剪切破坏的可能性不大。

利用物理模型研究结果，建立数值分析模型，结果发现，梁托有足够的强度来承受预期荷载。对梁托进行的水上和水下外观检查，并没有观察到有明显的张裂迹象。最终认为梁托是安全的，从而可以延长使用寿命，避免了对老化的大坝进行加固维修所需的高额开销。

1 背 景

布坎南连拱坝高44.1 m，位于得克萨斯州伯内特附近的科罗拉多河上，长约3.2 km，由LCRA负责大坝的运行管理。大坝形成的布坎南湖，是LCRA管理的六大高原湖泊之一，正常蓄水位310.8 m，库容约10亿m3。大坝的主要功能是蓄水发电，建筑物包括混凝土连拱坝、3个安装有37个弧形闸门的混凝土溢洪道、5个非溢流重力坝段、1个开敞式混凝土溢洪道、1个土石坝段和厂房。连拱坝分为直径10.7 m和21.3 m两部分，连拱由扶壁支撑，扶壁与拱之间由大型梁托连接。

大坝于1931年开始施工建设，1932年因故被迫停工。在该阶段，只完成了部分施工。 1943年，LCRA成立，重启大坝建设；1937年工程建成，并因此成功地取得了运营管理权。1997年以来，LCRA对布坎南坝陆续进行了维修，维修对象主要包括非溢流坝段、溢洪道和水电机组等。

2 设施全面审查和初步评估

通常，LCRA每6 a对大坝进行一次全面的综合检查评估(CFR)，每年还要对大坝进行一次安全检查。2007年对大坝进行的综合检查评估和2008年进行的基本结构评估结果显示，在正常水位和可能最大洪水位(PMF)荷载条件下，拱和扶壁头的结构可能存在问题。

综合检查评估中所谓的“梁托”，即扶壁头，是扶壁的一个结构单元，筒形拱就坐落在扶壁头上。报告中关注的是梁托的2个临界强度，亦即拱间的局部抗拉强度和抗剪强度。

初查中研究的抗拉强度是指拱间两拱相交处梁托上游面的水平拉应力，认为直径为10.7 m的拱间梁托具有足够的抗拉强度，不需要对其采取防止拉裂破坏的加固措施；而直径为21.3 m的拱间梁托，在拱附近部位有拉应力出现，虽然拱间梁托的配筋率较低，但现有的钢筋可以提供足够的抗拉强度，也不需要对其采取防止拉裂破坏的加固措施。

对沿潜在剪切面上的剪应力分布也进行了分析，潜在剪切面从梁托上游面的拱背处延伸到梁托的凹角。分析结果表明，在给定预期剪切破坏为脆性的情况下，安全系数不足。

鉴于存在剪切破坏的可能性，建议LCRA对直径为10.7 m和21.3 m的梁托实施加固措施，以增强梁托的强度。加固措施包括安装预应力杆穿过梁托，或用钢筋混凝土加厚梁托。采用任何一种加固措施，估算造价都在1 500万～3 000万美元。

3 同行评审研究

鉴于提出的加固措施费用高，考虑到布坎南坝运行70多年来并没有出现任何重大的结构性问题，因此，LCRA不得不对加固事宜作进一步地慎重考虑和深入研究。 2009年，LCRA邀请福瑞斯-尼克尔斯公司(FNI)，协助其对梁托状态进行深入评估。首先，是对CFR和结构初步评估报告结论进行同行评审研究。

为了完成这项研究，FNI组建了一支高素质的工程师团队，其中包括来自学术界和工业界的独立顾问，这些顾问都是世界著名的坝工专家和钢筋混凝土专家。

项目团队对梁托状态进行了评审，并采用不同的方法开展了分析，首先对假定的材料强度和荷载组合情况进行评估，精准荷载组合情况，调整材料的强度，反映结构构件内的潜在变化，为结构计算创造条件。

CFR对梁托的初步评估使用的是梁剪切法，但项目团队认为，剪切摩擦法更适合用于梁托，这与美国混凝土协会(ACI )的经验相一致。虽然剪切摩擦分析方法适用于梁托，但其得出的剪切强度却是如此之低，以至于基于大坝以往的成功经验，很难相信其正确性。用剪切摩擦分析方法得出的抗剪强度偏低，是由于ACI 318唯一依赖钢筋来提供抗剪强度，而梁托的配筋率相对较低。因此，剪切摩擦方法在评估梁托方面存在着不确定性。

在分析过程中，项目团队评估了梁托和可用的建筑标准。建筑标准中的设计准则通常是建立在建筑，而不是大坝的典型结构基础上。

在美国混凝土学会于2005年制定的有关结构混凝土建筑规范中，规定的基本条件是柱上梁托为独立构件，并支承着直接受弯构件，这些梁托及其承受的荷载的性质与接受评审的布坎南坝梁托存在显著的差异。

同行评审团队认为，规范的要求过于严格，不适用于准确评估布坎南坝的梁托。

由于ACI分析方法所得结果的不确定性，作为同行评估的一部分，使用各种软件包，开发出了梁托二维有限元模型(FEM)。初步的有限元分析结果表明，在两拱之间的交叉区，有明显的拉应力形成，虽然这些拉应力还没有达到极限状态，有限元法还是无法确定梁托是否足够安全。

同行评估团队认为，鉴于梁托几何形状的复杂性、拱的反作用力以及配筋，并不能为其建立单独的标准数值评价技术。因此，需要提出更严密精确的方法，以进一步了解梁托受力的状况。

4 评估方案

FNI开发的梁托评估方案，提供了相关破坏机理的成本效益分析方法，建立与现有结构特性的相关性，确定是否可以避免采用大量的维修加固措施。重点关注2007年CFR提出的两大强度机制：梁托表面的抗拉和内部的抗剪。该方案包括材料试验、水上和水下外观检查、梁托的物理模型试验以及精确的结构数值分析。

4.1 材料试验

材料的强度是结构分析中的关键参数。布坎南坝梁托和连拱的混凝土强度差别很大，这一点可以从原来施工试验成果和最近为其他大坝修复项目的试验成果中得到证明。

在布坎南坝2个前期项目中，从连拱部分所取的12块岩芯的强度结果试验表明，平均抗压强度为39.1 MPa，标准差为8.2 MPa。在前后2个不同时期修建的连拱，直径为10.7 m连拱混凝土的平均强度要高于地径为21.3 m的连拱混凝土。

在梁托评估过程中， 从梁托中或其附近选取了16块具有代表性的混凝土岩芯，以测试其强度。混凝土强度介于24.8～51 MPa之间，强度的平均值为34.7 MPa，标准差为9.6 MPa，混凝土试样的平均比重为2.4 t/m3。考虑到新、老试验数据的变化，抗压强度设计值取为20.7 MPa，在分析中，抗压强度不超过“竣工”时的强度是可信的。

在原始设计文件中，没有明确说明钢筋设计强度。所用钢筋强度是根据历史使用情况、原始设计图纸中列出的计算应力和一些特殊试验成果确定的。从历史使用情况来看，可以合理推断，钢筋混凝土结构建造的时期是1928年到1963年，使用的是ASTM A 15中级新坯钢筋。然后根据原始图纸的蛛丝马迹，对这种钢筋强度进行测试。

根据原始图纸上仅有的几次计算，连拱中钢筋的应力高达119.3 MPa。根据CRSI工程数据报告NO48[2001]，1924～1940年，钢结构和中级ASTM A 15钢的允许的拉应力分别为110.3 MPa和124.1 MPa。由于原始图纸所列应力高于结构钢筋的允许应力，可以再次合理推断，所使用的钢筋是中级钢材。最后，钢筋样品取自发电厂房地板和直径为21.3 m的连拱附近发现的建筑垃圾。

样品的拉伸试验结果表明，钢筋的屈服强度和抗拉强度分别大于275.8 MPa和503.3 MPa，这些结果适用于中级ASTM A 15钢。因此，所用的钢筋屈服强度设计值取275.8 MPa。

4.2 外观检查

在梁托上游侧进行外观检查，是为了评价是否出现了与拉应力或剪应力有关的明显裂缝，旨在发现拱间梁托上游面上任何明显开裂或老化的迹象。外观检查包括直接观察、水位以上梁托上游面的照片检查、摄像遥控车(ROV )水下检查。ROV也用来评估大坝上游梁托处沉积物的高程。

在直径为21.3 m的拱段有30个梁托，其中20个用遥控车进行了检查 。在直径为10.7 m的拱段，检查期间库水位较低，梁托处最大水深仅1.5 m，对24个梁托中的11个使用了遥控车进行检查。

总体而言，梁托在沉积物表面以上的可见部分状况良好，没有明显的开裂迹象，说明拱间上游面不存在拉应力集中现象。在直径为21.3 m的拱段，在梁托和拱上，常见沿拱的施工缝涂的焦油条带，有的梁托全部涂满了焦油。梁托表面粗糙度呈现为参差不一，可以说明当时的浇筑技术和混凝土表面处理技术水平，梁托表面粗糙的部分说明缺乏表面处理工序。梁托和拱的施工缝高程与图纸上所标明的位置相一致。

除了73 a前老的建造技术在表面留下的正常状况外，外观检查没有发现任何问题，说明不存在结构设计缺陷。

4.3 物理结构模型

物理模型试验是用一个代表大坝的结构来模拟配筋率较低的梁托受力情况，目的是为了开发一种分析模型，能够应用到大坝不同高程梁托的应力应变分析中，帮助克服建筑规范中典型梁托模型存在的许多不足。

在模型开发中，主要目标是建立梁托表面拉应力与梁托内部抗剪强度之间的关系。施加的载荷、梁托形状、扶壁厚度、拱厚度和配筋等，从梁托顶部到底部连续地变化。对一个模拟大坝全高的模型，理所当然地认为，至少能承受与大坝类似的组合荷载，同时具有较高的抗拉和抗剪强度。

物理模型试验是在奥斯汀德州大学弗格森实验室完成的，建立了2个具有代表性的半尺寸梁托模型。由于在初步分析中已经确定梁托表面的张力是临界破坏模式，模型的配筋结构主要是尽可能精确地模拟梁托表面钢筋网的拉力。

根据历史应用情况、原始设计文件和现场特定试验，用于模型的钢筋设计屈服强度为275.8 MPa。试样中使用的钢筋应力-应变关系曲线，与从原结构中采取的试样进行了对比，具有极好的相关性。如前所述，模型中使用的混凝土28 d设计抗压强度为20.7 MPa。

试验前，在该模型上安装了应变计和压力传感器。对模型施加水平和垂直荷载,以模拟实际坝拱相互作用的组合力矩和剪力。由于梁托的临界张力区位于拱的反作用力附近，所以精确地模拟拱对梁托反作用力的传递是非常重要的。为了实现这一目标，将混凝土柱与梁托实施整体一起浇筑。将混凝土柱制造成拱基座的形状，对于混凝土柱中竖向配筋的尺寸和位置，按照拱的实际情况而设。将载荷施加到代表拱的混凝土柱上，然后以混凝土受压构件和钢筋张力的形式传递到梁托上，就像实际拱的反作用力。

2个试样的试验过程概括如下：

(1) 加载后，试样出现弹性反应；继续加载，直到拱间交叉中心处的混凝土开始出现张拉裂缝，此时观察到钢筋开始出现拉应力，但混凝土裂缝并没有扩展。

(2) 继续对试样加载，直到混凝土再次开裂，梁托从上至下产生了贯穿性裂缝，此时钢筋处于完全受拉状态。

(3) 继续对试样加载，当拱间交叉处的强度完全受控于钢筋张应力时，钢筋的韧性抗拉屈服强度控制着最终的抗性机制。

需要重点指出的是，在梁托中间，裂缝保持垂直向发展，而在扶壁交界面处的梁托基座上，裂缝则呈横向发展，这与潜在剪切面无关。同样需要重点指出的是，钢筋弯曲部分的抗拉屈服强度呈现理想的延性反应。

4.4 结 果

梁托的承载力基本上与拱间梁托表面的抗拉强度有关。在直径为21.3 m的拱中，梁托表面的抗拉强度在较高位置控制着梁托的承载力。穿过剪切面的拉应力会降低抗剪强度，但本次研究结果表明，当拉裂缝形成时，并不会出现在抗剪强度降低的区域内。

通过了解这些裂缝的形成机理，已经可以确定剪切机制与这些裂缝无关，同时也进一步证明古老结构中分布的随机残留裂缝不可能降低抗剪强度。在大多数区域，抗剪安全系数低于抗拉安全系数，因此张拉破坏决不可能发生。使用这里所描述的方法，对所有断面的抗剪安全系数进行计算，结果是可以接受的。

4.5 AASHTO抗剪承载力评价

作为一个辅助评估工具，使用美国国家公路运输司(AASHTO)LRFD桥梁设计说明书中指定的剪切摩擦分析法，来计算梁托的抗剪承载力。与ACI 318对比可以发现， AASHTO方法的不同之处是考虑了凝聚力和骨料嵌锁，许多桥梁设计依赖于剪应力沿跨度大、配筋少的板梁接触面传递，AASHTO方法提供了这种条件下更现实的设计方法。 AASHTO的规定是根据实验数据制定的，提供了各种混凝土表面条件下的设计值。

在连接拱背与梁托基座凹角的剪切面上，特别对剪摩阻力进行了评价，拱的全部反作用力均要通过这个面传递。因此，这个面是最不利的，计算中使用的唯一钢筋，是在物理模型研究中考虑的受拉钢筋。

还有另外一种钢筋，穿过所分析的潜在剪切面，但由于定向问题或缺乏延伸方向，因此在分析中不加以考虑。

5 结 语

基于FNI的梁托评估程序，结果表明，布坎南坝梁托是稳定的，因此不需要进行加固。需要指出的是，对梁托上游面进行的视觉检察，已成为了大坝定期检查的一部分。如果这项检察能够继续提供明确的证据，说明扶壁上游面混凝土没有开裂或老化，与梁托相关的风险也就不存在，因而也就没有必要对其进行昂贵的加固维修。

该研究得出的一个重要结论是，行之有效的行业标准技术并不能精确说明老建筑的结构承载力。根据该项研究，这个差异是由以下2个主要原因造成的：

(1) 标准分析技术暗含几个假设，而这些假设不可能适合于特定条件；

(2) 现行的行业设计和分析惯例，往往是基于特定设计方法与相关分析方法的联合应用。

当联合应用时，得出的结论通常是合理的保守设计。但是，如果最初使用了不同的设计方法，当前的分析方法就有可能得到明显不同的结果，因为它强化了某些区域，而忽略其他对结构来说处于临界状态的区域。如果物理模型结果不同于数值分析结果，那么在数值分析中就必须应用批判性思维。

业主和工程师应该寻求可替代和创新的方式来看待和分析老的建筑物，因为有时额外的管理可以避免或显著减少维修费用。