侧向撞击荷载作用下渡槽支承结构安全检测与评价

李 军,崔德浩,游 日,郝 洁,潘文明

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029;2.河海大学,江苏 南京 210024;3.深圳市东江水源工程管理处,广东 深圳 518000)

渡槽是输送渠道水流跨越河渠、道路、山谷的架空输水建筑物,具有水头损失小、工程运行维护方便等优势,自古以来就在各类输调水工程中得到了广泛采用。近年来随着南水北调等大型调水工程的兴建,现代渡槽担负着实现大跨度和大流量的设计要求,是极为重要的生命线工程。渡槽的安全性尤为重要,一旦破坏其直接和间接损失不可估量。文献[1]根据收集的资料统计分析了国内部分渡槽破坏实例,指出渡槽破坏原因主要包括地震、风致、水毁、耐久性问题(包括混凝土碳化、止水老化、冻融、腐蚀、水流冲刷、土体冻胀、不均匀沉降等)、超载破坏及设计不合理或施工质量差等。

部分渡槽根据地形条件必然选择跨河布置,如特大型输水工程的南水北调中线一期工程总干渠,采用渡槽形式跨越天然河道的就有26座[2]。对于通航河道而言,跨河渡槽在一定程度上恶化了船舶通航环境,随着近年来水运交通的飞速发展,以及船舶吨位的不断增大,船舶撞击渡槽的风险与日剧增,但由于其具有突发性特点,国内水利行业在这方面的研究开展较少,主要研究工作集中在公路和水运领域。

文献[3]对1444—2008年有倒塌记录的航道桥梁进行统计,指出造成倒塌的原因第一位是洪水,第二位是船撞,第三位和第四位分别是设计和施工。文献[4]总结并分析了2019年度船撞理论分析模型、船撞风险评估指标体系、船撞预警研究和智能化管理系统等方面的研究进展,指出设计过程中需要采用合理的船舶撞击力设防标准,加强结构设计,加设防撞装置和主被动监测防控系统。文献[5-6]选取不同船型载况、船舶船速、通航水位、碰撞角度、基础形式等因素对船撞力的影响进行分析,研究船桥碰撞能量转换关系,对船撞力计算公式提出改进方法。文献[7]将船撞力计算方法分为静力计算公式、动力简化计算模型、高精度有限元仿真等3 种,指出现阶段以静力计算方法为主,动力简化计算方法以及高精度有限元计算方法主要用于校核工作。文献[8]将船桥碰撞仿真计算划分为材料本构模型选取、有限元模型网格划分、流体介质处理、摩擦作用处理和土体结构相互作用处理5个方面开展船舶撞击力研究。文献[9]以动量守恒定律为基础,试算输入不同简化撞击力和时间荷载曲线,提出基于有限元模型分析船撞结构损伤破坏的数值分析方法。文献[10-11]分别研究了侧向冲击作用下钢管混凝土结构柱抗冲击承载力计算方法、钢筋混凝土圆形桥墩动态抗裂性能与开裂荷载计算方法。文献[12]深入分析高桩桥墩船撞冲击力的动态特征、高应力区域的分布和其应力动态时程,探讨了高桩桥墩撞击冲击下的高危损伤区域分布。文献[13]结合工程实例,通过对国内外不同规范公式计算结果的比较,推荐采用参考铁路规范计算的船舶撞击力作为船舶撞击力进行设计。文献[14]对船舶横桥向与顺桥向撞击下桥墩桩基的受力进行分析。文献[15]研究了桩基、承台和墩柱在船桥碰撞中的冲击响应一般规律和特点。

和桥梁结构类似,渡槽支承体系对维持渡槽的结构稳定性,地基适应性和结构抗震稳定性等具有关键作用。考虑到部分跨河渡槽由于建设年限较早,其下部支承结构在设计过程中并未考虑船舶撞击荷载的作用,或虽有考虑但是其安全系数不够。船舶撞击不仅导致支承构件和船舶损伤,还会带来巨大的经济损失和恶劣的社会影响,造成严重后果。

本文针对船撞渡槽支撑结构研究较少的状况,以某跨河渡槽桩柱支承结构受到船舶撞击后出现的结构破坏实例,开展侧向撞击荷载作用下渡槽桩柱式支承结构损伤安全检测与评价,提出了结构损伤安全评价的内容、方法和技术路线,并通过现场检测获取定量数据,然后基于有限元计算开展损伤仿真分析,最后提出修复策略,可为类似情况的渡槽安全鉴定评价方法提供指导思路,同时也可为渡槽防撞设计和维修加固提供参考依据。

1 渡槽及碰损基本情况

1.1 跨河渡槽主要结构型式

某水利枢纽工程规模为大(2)型,其跨河渡槽结构型式为预应力钢筋混凝土简支梁式,槽身断面为箱式,共22跨,跨度33.4 m。渡槽跨河部分支承结构为排架式,钢筋混凝土灌注桩基础,每组双排四根布置,桩径1.2 m,桩长15.85～28.55 m,排架间设有两层横系梁,排架顶端设有承台梁。

排架柱布置型式见图1,每组排架柱逆时针依次编为1、2、3、4号。

图1 排架柱布置型式(mm)

1.2 船撞损伤概况

该跨河渡槽支承结构受到钢质货船撞击,船舶有关参数见表1。

表1 船舶主要尺度参数

当时船舶在航道中由下游向上游方向航行,处于空载状态,船首左舷直接撞击在5号排架组下游面下层横系梁和横系梁上部5-1号和5-2号排架柱上,导致被碰梁柱混凝土结构破损开裂。

经现场查勘,破损状况如下:①受到船舶直接撞击的5号排架柱和下层横系梁除表面有大量撞痕、凹坑外,还存在破损和开裂严重损伤,相邻的4、6号排架组未发现明显的混凝土破损和开裂现象;②船舶直接撞击区域横系梁两端与排架柱连接处产生斜向和竖向开裂,梁底混凝土破损,排架柱外侧面产生竖向和横向开裂,与横系梁相连;③受船舶撞击影响上游侧两根排架柱水上部分各出现两条水平环向裂缝。

发生撞击后船舶左首舷损坏严重,具体见图2。渡槽梁柱支承结构撞击部位见图3、4。

图2 撞击后船舶受损

图3 船舶撞击排架位置

图4 船舶撞击渡槽部位示意

2 安全评价内容与方法

为评定船舶撞击影响,排查渡槽隐患,以全面了解该段渡槽的受损状况,客观评价撞后渡槽的安全性态,确定该渡槽是否能够满足承载能力和正常使用的要求,安全评价范围应包括被撞的排架、桩体、横系梁和相邻的2个排架及上部渡槽结构。

安全评价内容包括基桩、排架、横梁、支座、承台、槽身等设施的损坏情况调查与量测,基桩完整性检测,并在考虑地基-桩基的耦合及上部结构的共同作用情况下,对排架柱和基桩结构的安全性进行数值模拟计算分析,确定桩柱及上部槽身结构的损伤程度。

安全评价工作整体按照 “收集整理资料→外观检测→专项检测→计算复核→安全评价”的顺序进行。具体如下:①收集有关资料,包括工程设计资料、地质勘察资料、监测资料、船舶资料、渡槽运行资料;②采用图示法进行描述、记录排架、桩体及上部构件受损情况,包括混凝土撞击损坏情况、开裂的裂缝分布情况(走向、长度、深度、缝宽等);③渡槽相关构件混凝土专项参数检测,包括混凝土强度、保护层厚度、钢筋锈蚀情况等;④采用低应变法检测桩身完整性,判断桩身水下及入土范围内是否存在破损;⑤对上部渡槽结构位移变形情况进行量测,掌握被撞影响范围内的渡槽整体变形情况;⑥结合检测结果,在考虑地基-桩基的耦合及上部结构的共同作用情况下,对桩柱碰撞过程进行数值模拟计算分析;⑦根据安全检测和复核计算结果对结构的安全性进行评价;⑧根据评价结果,提出维修加固处理建议。

3 现场调查与检测

3.1 支承结构外观调查结果

船舶撞击后,对渡槽被撞的5号排架、桩体、横系梁和相邻的4、6号排架组及上部渡槽槽身等结构进行了详细的外观调查和检测。

船舶直接撞击区及附近区域应力集中非常明显,导致下游侧5-1、5-3号排架柱在外侧面产生竖向和横向开裂,与横系梁相连,最大缝宽0.3 mm,为深层裂缝;下游侧横系梁两端与排架柱连接处产生斜向和竖向开裂,梁底混凝土破损,见图5。

图5 直接受撞的横系梁与排架柱连接处开裂

受船舶撞击影响,上游侧5-2、5-4号排架柱水上部分各出现两条水平环缝,其中上层裂缝出现在柱顶与下层横系梁连接处,环向开裂并已贯穿柱身,最大缝宽分别为1.76、2.06 mm,局部混凝土剥落;5-2、5-4号柱下层裂缝分别距上层裂缝约42、90 cm,环向开裂,尚未贯穿柱身,最大缝宽分别为1.02、0.71 mm,缝长约为柱周的70%、50%,见图6。

图6 上游侧排架柱环向开裂

5号排架组下层左侧和右侧横系梁均在靠近上游侧排架柱端部出现竖向贯穿裂缝,最大缝宽分别为0.55、0.49 mm。排架柱下部处于水位变化区,长期受海潮涨落影响,钢护筒表面遍布锈包和蚀坑。钢护筒表面未见明显碰撞、撕裂、裂缝等损坏情况。下层横系梁以上部位的排架柱、上层横系梁及承台钢筋混凝土结构外观完好,轻微砂化,无明显质量缺陷。

3.2 槽身外观调查结果

从外部观测,5号排架柱上方渡槽槽身混凝土外观基本完好,上游侧底部有一处漏水。在槽身顶板上下游侧和中间伸缩缝部位各测量一点,伸缩缝宽度分别为29.2、30.3、26.6 mm,无明显差异和变化规律。

渡槽排空后检测人员进入渡槽内部进行检测,槽身内部混凝土完好,未见破损和开裂。5号排架上方渡槽下游侧伸缩缝完好;上游侧伸缩缝轻微损伤,常水位上20 cm处混凝土局部剥裂;底板伸缩缝接近上游侧部位有一处表层混凝土开裂,手剥即脱落,为漏水点;顶部伸缩缝填充材料局部脱落,漏光。

3.3 裂缝深度检测结果

采用无损的跨缝平测超声波法测试裂缝深度,同时选取一条裂缝骑缝取芯测试比对。检测时先在构件完好部位进行混凝土波速测试,测得平均波速为3 900 m/s,再进行跨缝测试,换能器间距分别为100、150、200 mm进行测试。

骑缝取芯所测的裂缝深度和超声法检测结果相吻合,裂缝深度检测结果见表2。经判别,上游侧5-2、5-4号排架柱,左、右侧5-12、5-34号下层横系梁环向裂缝均为贯穿性裂缝;下游侧5-1、5-3号排架柱横竖向裂缝为深层裂缝。排架柱环向裂缝骑缝取芯情况见图7。

3.4 基桩完整性检测结果

采用低应变反射波法检测基桩水下部分完整性,包括直接被撞的5号和相邻的4、6号共3个排架组12根钢筋混凝土灌注桩。经检测,5-2号基桩在测点以下约3.1 m处存在轻微缺陷,5-4号基桩在测点以下约14.2 m处存在轻微缺陷,但不会影响桩身结构承载力的正常发挥,可判定为Ⅱ类桩;其余10根基桩桩身完整,均判定为Ⅰ类桩。检测结果表明本次船舶撞击对于基桩水下部分没有造成明显的破坏,桩身完整。

3.5 渡槽钢筋混凝土结构参数检测结果

采用回弹法检测混凝土抗压强度,测试前用磨光机打磨混凝土表面,去除浮浆和疏松层,并取一组3个芯样对回弹测值进行修正。

其中回弹法所测的排架柱和下层横系梁混凝土抗压强度推定值在23.7～47.8 MPa,修正值在23.9～48.3 MPa,推定值和修正值均高于设计值(原设计混凝土标号为250号,按照现行规范换算设计强度等级为C23),满足设计要求。具体见表3。

表3 混凝土构件抗压强度

3.6 渡槽位移量测结果

利用渡槽现有顶部水平位移监测点,采用全站仪进行观测。结合被船舶撞击前观测资料,受撞击后5号排架柱上部渡槽顶部水平位移基点发生了较大的水平位移,槽身顶部伸缩缝左右两侧位移基点向上游侧偏移量分别为41.4、41.1 mm。其他跨槽身测点水平位移变化不明显。

利用渡槽现有顶部垂直位移监测点,采用电子水准仪进行观测。结合被船舶撞击前观测资料,受撞击后5号排架柱上部渡槽顶部沉降量在6.18～7.13 mm,其余测点沉降量均在0.78～3.24 mm,说明船舶碰撞造成渡槽槽身产生了一定的垂直位移。

4 桩柱损伤有限元数值分析

4.1 地质条件

渡槽所在范围内地基覆盖层上部主要由淤泥、淤泥与含泥中细砂互层、淤泥与含泥砂砾石互层及淤泥质粉土和粉质黏土层(Q4)组成,厚18～24 m,其中淤泥、淤泥与含泥中细砂互层厚度较大,厚度一般在8～18 m。

覆盖层中部为砂砾石(Q4)松散—稍密,粒径以3～8 cm为主,底部2～3 m,粒石径以5～8 cm为主,本层顶板高程一般在-8.0～-22.5 m,厚7.0～18.0 m。覆盖层下部为含泥砂砾石,稍密—中密,粒径以2～8 cm为主,部分砾卵石呈强风化,泥质胶结,顶板高程-25.0～-30.0 m,厚度大,最厚达39 m。

基岩为流纹斑岩,全风化带厚1～4 m,局部达10 m,强分化带厚2～5 m。以砂砾石、含泥砂砾石及弱风化基岩作为钻孔灌注桩的桩端持力层。

4.2 计算分析结果

采用有限元软件对被船撞击的渡槽排架建立三维有限元模型。单元网格划分见图8,共18 818个实体单元,432个桩土弹簧单元。X轴垂直于渡槽纵轴线,Y轴平行于渡槽纵轴线,Z轴为垂直向。

图8 排架基桩模型和网格划分

根据现场检测结果,桩、柱的混凝土强度等级取C35,横梁的混凝土强度等级取C23,混凝土密度2 500 kg/m3;C35混凝土弹性模量3.15×104N/mm2;C23混凝土弹性模量2.70×104N/mm2;泊松比取0.167。

在排架顶部,沿撞击方向设置水平位移边界条件,以模拟撞击发生时上部结构对排架的约束。地面以下的桩表面设置桩土弹簧单元,在桩周设置水平接地弹簧,桩侧设置竖直接地弹簧,以模拟撞击发生时的桩土相互作用。水平荷载作用下,为考虑桩所受地基土体的弹性抗力作用,采用基于m法的桩土弹簧单元计算弹性桩基的作用效应。计算时不考虑桥墩与船舶碰撞的动力响应影响。

计算工况考虑自重力(槽身+槽内水)+浮力+船舶撞击力。其中船舶撞击力规范计算公式包括公路规范、铁路规范、AASHTO规范、IABSE公式以及欧洲规范等。虽然计算公式种类较多,但均与船舶撞击时的速度和重量有关。本次船舶撞击力根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》漂流物撞击力公式进行计算:

F=WV/(gT)

(1)

式中W——船舶重量,取空载排水量255.51 t;V——撞击速度,取2.5 m/s;T——撞击时间,取0.24 s。

经计算可得船舶横向撞击力F=2 657 kN。根据现场检测结果,混凝土撞损和刮痕主要位于下游面的下层横系梁和5-1号排架柱的上下横系梁之间,撞击的船舶左首舷也有明显的L型凹陷,船舶撞击力设计值简化为按L型线荷载分布计算。

在船舶撞击力作用下,排架的最大横向整体挠曲变形约为11.0 mm,位于下层横系梁以下约 2.0 m的5-2号排架柱上,具体见图9。超过混凝土抗拉强度的高应力区在排架上的整体分布见图10。高应力区属于容易发生损伤开裂的敏感区域,其分布范围与现场实测排架的裂缝位置吻合度较高。

图9 排架被撞后的整体横向挠曲变形(m)

图10 结构主拉应力整体分布(Pa)

其中地面以下灌注桩桩身最大拉应力1.45 MPa,位于埋深7.5 m处的5-2号灌注桩表面,此处即为地面以下的桩身最大弯矩位置。桩身最大应力小于实测的C35混凝土抗拉强度(ftk=2.20 MPa)和设计的C23混凝土抗拉强度(ftk=1.68 MPa),说明撞击力引起灌注桩开裂的可能性较低。

地面以上排架柱高应力区靠近下层横系梁,在距下层横系梁以下0.5 m的5-2、5-4号排架柱表面,主拉应力可分别达到6.83、6.45 MPa。该区域内的高主应力主要是由于排架在撞击过程中产生较大的整体挠曲变形造成的,已超过C35混凝土抗拉强度(ftk=2.20 MPa)。

横系梁高应力区位于横系梁与排架柱交接处,撞击过程中该位置弯矩和剪力均较大,局部应力可达5.91 MPa,已超过C23混凝土抗拉强度(ftk=1.68 MPa)。

4.3 裂缝成因分析与处理

a)水平环形裂缝。有限元分析表明5-2、5-4号排架柱最大拉应力远远超过C35混凝土抗拉强度,属于容易发生损伤开裂的敏感区域。复核计算结果表明该位置柱截面的抗剪承载力能满足规范要求,但由于排架在竖直面内整体挠曲产生的弯矩超过柱截面抗弯承载力,现场检测发现的排架柱水平环向开裂主要是由船撞后排架在竖直面内的整体挠曲变形所产生的弯矩引起。

b)竖向裂缝。有限元分析表明横系梁与排架柱交接处撞击过程中弯矩和剪力较大,存在较高的局部应力,也属于容易发生损伤开裂的敏感区域。复核计算结果表明该位置梁截面的抗剪承载力虽能满足规范要求,但由于横系梁的配筋主要集中在截面顶部和底部,截面左右两侧的配筋较少,导致横系梁在水平面内的抗弯能力较弱,撞击力引起的水平面内弯矩超过梁截面抗弯承载力,现场检测发现的梁柱交接处的竖向开裂主要是由船撞后横系梁在水平面内挠曲变形所产生的弯矩引起。

结合现场检测和复核计算结果,主要裂缝为环向贯穿性裂缝,裂缝宽度超过了规范所允许的裂缝宽度限值,排架柱结构抗弯承载力不能满足规范要求,应进行补强和加固。

5 结语

a)客观全面评价船撞受损的梁式跨河渡槽安全性态,应在收集有关资料基础上,开展现场质量检测,并对结构安全进行计算分析,以确定下部支承结构及上部槽身结构的损伤程度,综合评价渡槽安全性。

b)有限元数值模拟结果表明船舶碰撞过程中渡槽桩柱的高应力区按照成因可分两类:一类是由直接接触载荷引起的高应力区,发生在撞击船与承台碰撞接触面及附近区域;另一类是由于桩柱整体弯曲变形引起,发生在桩柱与承台连接处危险截面,仿真分析和现场裂缝检测结果相吻合。

c)在类似工程遭遇船舶撞击后现场检测时应充分考虑船撞损伤分布特征,注重对高应力易损区进行重点检测,避免有所遗漏,以确保工程安全。

d)本次检测评价结论为工程后续处理提供了技术支撑,管理单位应对渡槽桩柱受损结构及时采取修补加固措施。