受腐蝕淺埋污水箱涵結(jié)構(gòu)安全性分析

路家峰，李 寧，謝永健

(上海勘察設(shè)計(jì)研究院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200093)

1 概述

城市污水排放系統(tǒng)是現(xiàn)代化城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是解決城市生活污水處理和排放、實(shí)現(xiàn)城市健康可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性工程。目前國內(nèi)早期建成的污水排放干線多采用淺埋式矩形現(xiàn)澆混凝土箱涵。這種現(xiàn)澆混凝土箱涵的結(jié)構(gòu)內(nèi)壁長期處于污水沖刷的惡劣環(huán)境之下，自身結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象較為普遍，由于結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致路面塌陷等次生災(zāi)害的事件也時(shí)有發(fā)生。鑒于此，分析既有污水箱涵結(jié)構(gòu)的承載能力對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的加固修復(fù)意義重大。

2 工程概況

上海某污水排放干線建于20世紀(jì)80年代，運(yùn)行至今已超過30年，是上海市污水排放重要線路之一。其主體結(jié)構(gòu)采用單孔矩形箱涵，頂部埋深約1.5 m，外包尺寸為3.7 m×2.6 m，內(nèi)凈尺寸為3.2 m×2.1 m，頂部及側(cè)墻設(shè)計(jì)厚度250 mm，腋角設(shè)計(jì)寬度為200 mm。結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，管節(jié)每節(jié)長為25 m，下設(shè)有120 mm厚素砼墊層。

3 結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)狀

在箱涵結(jié)構(gòu)建成并投入運(yùn)營的過程中，由于箱涵輸送介質(zhì)的特性，污水以及污水中逸散出來的硫化氫等氣體均對(duì)弱堿性的混凝土箱涵本體有酸蝕影響，造成箱涵內(nèi)壁混凝土剝落、鋼筋銹蝕，箱涵結(jié)構(gòu)承載力降低。

圖1為某處地下污水箱涵斷面內(nèi)部拍攝的照片。由圖1可知，箱涵結(jié)構(gòu)頂板由于長期污水作用，箱涵內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重，表面凹凸不平，銹蝕的鋼筋幾乎處于裸露狀態(tài)。相比于結(jié)構(gòu)頂板，箱涵結(jié)構(gòu)側(cè)墻及底板結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象較少，暫無結(jié)構(gòu)鋼筋裸露的現(xiàn)象。針對(duì)結(jié)構(gòu)頂板腐蝕嚴(yán)重的情況，對(duì)結(jié)構(gòu)頂板厚度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，圖2為頂板實(shí)測(cè)厚度示意圖。腐蝕后結(jié)構(gòu)頂板厚為199～220 mm，腐蝕量為30～51 mm。由此可見，污水箱涵結(jié)構(gòu)經(jīng)過長期運(yùn)行后結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)局部存在明顯的削弱，有嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全隱患，有必要進(jìn)行針對(duì)性的分析計(jì)算并制定修復(fù)方案。

圖1 某污水箱涵頂板底面Fig.1 Status of Lower Surface of Sewage Culvert Top Plate

4 規(guī)范方法結(jié)構(gòu)分析原結(jié)構(gòu)承載力

由于結(jié)構(gòu)建成時(shí)間相對(duì)較長，部分設(shè)計(jì)資料缺失，且由于設(shè)計(jì)采用的是當(dāng)時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，各項(xiàng)要求與現(xiàn)行規(guī)范存在差異[1]。故首先需根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[2-3]對(duì)本工程既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)分析。靜力計(jì)算分析時(shí)，將現(xiàn)澆箱涵結(jié)構(gòu)視為閉合框架，頂板與墻、墻與底板的連接均應(yīng)視為連續(xù)支承，各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)如表1所示。其中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為實(shí)測(cè)推定值。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求得的箱涵結(jié)構(gòu)在滿水帶壓工況和無水工況下荷載基本組合與標(biāo)準(zhǔn)組合的內(nèi)力彎矩圖如圖3所示。

圖2 箱涵實(shí)際頂板厚度示意圖Fig.2 Schematic Diagram about Real Thickness of Sewage Culvert Top Plate

表1 箱涵承載力計(jì)算參數(shù)表Tab.1 Parameters for Calculation of Sewage Culvert Bearing Capacity

圖3 箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩圖Fig.3 Bending Moment Diagram of Sewage Culvert Structure

根據(jù)箱涵結(jié)構(gòu)在滿水帶壓和無水兩種工況下荷載基本組合的彎矩內(nèi)力，按照現(xiàn)行混凝土規(guī)范6.2.10條[4]，對(duì)箱涵頂板進(jìn)行配筋驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。根據(jù)當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范所得結(jié)構(gòu)配筋滿足現(xiàn)行規(guī)范承載力要求。根據(jù)現(xiàn)行混凝土規(guī)范7.1.2條[4]，按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合彎矩內(nèi)力進(jìn)行最大裂縫寬度驗(yàn)算得wmax=0.244 mm，大于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)非一類環(huán)境裂縫寬度0.20 mm限制，即當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范在對(duì)箱涵裂縫寬度控制方面較現(xiàn)行規(guī)范略有不足。故箱涵結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的原因之一可能是由于微裂縫寬度較大，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在污水的長期作用下不斷腐蝕，經(jīng)過長期運(yùn)營后出現(xiàn)了鋼筋裸露并嚴(yán)重腐蝕的現(xiàn)象。

表2 箱涵頂板配筋驗(yàn)算Tab.2 Checking Calculation on Reinforcement of Sewage Culvert Top Plate

5 有限元法分析腐蝕結(jié)構(gòu)承載力

5.1 混凝土模型及參數(shù)選取

考慮到本工程既有箱涵情況的特殊性，在有限元數(shù)值分析過程中，計(jì)算結(jié)果對(duì)箱涵混凝土結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)模型及參數(shù)精確度要求較高，采用簡單的彈性材料進(jìn)行模擬可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此，本次計(jì)算采用與混凝土材料受力特性近似且與規(guī)范對(duì)應(yīng)較好的混凝土損傷塑性模型模擬箱涵混凝土結(jié)構(gòu)。

為了驗(yàn)證混凝土模型及參數(shù)的合理性，筆者首先進(jìn)行了受力相對(duì)簡單的簡支鋼筋混凝土梁模擬計(jì)算。簡支梁截面尺寸為150 mm×300 mm，跨度為2.4 m，混凝土等級(jí)C30，配筋采用2根22 mm的HRB335鋼筋。鋼筋采用理想彈塑性模型，彈性模量為200 GPa，屈服應(yīng)力為335 kPa。C30混凝土塑性損傷模型參數(shù)取值如表3所示[5-6]。

在簡支梁頂部施加20 kPa的均布荷載，簡支梁計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖如圖4所示，跨中截面的混凝土應(yīng)力分布圖如圖5所示。由圖4可知，簡支梁上部受壓區(qū)壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于混凝土下部拉應(yīng)力，且由于混凝土截面下端進(jìn)入了開裂損傷階段，拉應(yīng)力由上到下逐漸減小，與混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)基本一致。故該混凝土本構(gòu)可較好地模擬混凝土材料的各向異性及開裂特性，適用于本研究的計(jì)算。

表3 C30混凝土計(jì)算參數(shù)表Tab.3 Parameters of C30 Concrete

圖4 簡支梁軸應(yīng)力云圖Fig.4 Axis Stress Nephogram of Simply Supported Beam

5.2 既有箱涵結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本計(jì)算主要用于計(jì)算分析本項(xiàng)目既有結(jié)構(gòu)的承載能力，故有限元模型需根據(jù)箱涵結(jié)構(gòu)當(dāng)前情況進(jìn)行建模，結(jié)構(gòu)頂板厚度近似按實(shí)測(cè)考慮，且由于頂板鋼筋銹蝕嚴(yán)重，頂板下部橫向鋼筋在計(jì)算分析時(shí)不予考慮。

土層按場(chǎng)地實(shí)際土層考慮，淺部土層情況如表4所示。土層采用摩爾庫倫模型進(jìn)行計(jì)算。鋼筋采用理想彈塑性模型模擬計(jì)算，彈性模量200 GPa，屈服強(qiáng)度335 MPa。所建立的有限元模型如圖6所示。

表4 場(chǎng)地土層參數(shù)Tab.4 Parameters of Soil Profile

圖6 有限元模型示意圖Fig.6 Schematic Diagram about FEM Model

經(jīng)計(jì)算可知，由于結(jié)構(gòu)頂板鋼筋銹蝕嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)在自重應(yīng)力作用下混凝土拉應(yīng)力已達(dá)到較高水平，但尚未達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度，圖7所示為在地面加載15 kPa均布荷載時(shí)箱涵結(jié)構(gòu)的受力情況，圖8為跨中位置頂板下部混凝土拉應(yīng)力隨加載變化的情況。由圖7和圖8可知，在自重應(yīng)力和上部荷載的作用下，頂板混凝土逐漸達(dá)到抗拉強(qiáng)度并出現(xiàn)開裂損傷，拉應(yīng)力水平下降，開裂范圍擴(kuò)大。

圖7 箱涵結(jié)構(gòu)水平向應(yīng)力云圖Fig.7 Horizontal Stress Nephogram of Sewage Culvert Structure

6 結(jié)構(gòu)安全性分析

對(duì)既有污水箱涵結(jié)構(gòu)，通過箱涵資料搜集、地質(zhì)資料調(diào)查、箱涵結(jié)構(gòu)檢測(cè)、荷載條件復(fù)核、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)計(jì)算分析(包含規(guī)范方法和有限元方法等)等步驟可求得箱涵混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，再結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)基本原理對(duì)箱涵承載力現(xiàn)狀進(jìn)行初步判別，并采取相關(guān)針對(duì)性修復(fù)建議。

本箱涵結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕嚴(yán)重且腐蝕現(xiàn)象較為普遍，根據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》(CJJ 181—2012)8.3.1條和8.3.2條，計(jì)算得到管段結(jié)構(gòu)性缺陷參數(shù)F為5.0，管段結(jié)構(gòu)性缺陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)，根據(jù)8.3.4條計(jì)算得到管段修復(fù)指數(shù)RI為4.60，根據(jù)8.3.5條，管段修復(fù)等級(jí)為Ⅲ，應(yīng)盡快修復(fù)。

從本文所示的力學(xué)角度來理解，該箱涵頂板由于缺少了下部橫向受拉鋼筋的作用，箱涵結(jié)構(gòu)在可能工況下，當(dāng)上覆荷載增加時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度值后將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)混凝土不斷開裂并退出工作，最終引起結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞狀態(tài)。因此，對(duì)鋼筋嚴(yán)重腐蝕的箱涵應(yīng)盡快進(jìn)行結(jié)構(gòu)修復(fù)，且應(yīng)盡量避免增加箱涵結(jié)構(gòu)上覆荷載。

7 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際工程，提出了應(yīng)用有限元計(jì)算方法分析既有箱涵結(jié)構(gòu)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生局部腐蝕時(shí)的結(jié)構(gòu)承載能力，對(duì)既有破損結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析。通過研究，得到主要結(jié)論如下。

(1)部分既有污水箱涵由于建成時(shí)間早，原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，難以滿足其長期運(yùn)營對(duì)裂縫控制的要求，在腐蝕性污水長期作用下，結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。

(2)通過檢測(cè)、規(guī)范計(jì)算、有限元分析等多種方法結(jié)合，能更可靠地評(píng)價(jià)既有箱涵結(jié)構(gòu)的承載能力及安全狀態(tài)。

(3)通過本案例可知，對(duì)特殊環(huán)境下運(yùn)行的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，除了需考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常規(guī)問題，還應(yīng)充分考慮周圍介質(zhì)和環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的長期不利作用，采取保護(hù)性措施提高其耐久性，減少后期風(fēng)險(xiǎn)及修復(fù)加固等額外投入。