基于METS理論的渡槽結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)研究

張藝瓊

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110166）

1 工程背景

遼寧省燈塔灌區(qū)始建于1974 年，建成后成為遼寧省中部地區(qū)重要的商品糧生產(chǎn)基地[1]。灌區(qū)的總干渠長(zhǎng)43.5 km，控制流域面積約420 km2，水資源總量為3.13 億m3，可以使10 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)近26.4 萬(wàn)人受益。由于灌區(qū)建成運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)且始建標(biāo)準(zhǔn)不高，其損毀比較嚴(yán)重，對(duì)灌區(qū)功能的發(fā)揮造成明顯制約。因此，遼寧省及當(dāng)?shù)卣e極籌措資金進(jìn)行灌區(qū)的節(jié)水改造工程[2]。其中，總干渠范官渡槽移址重建工程，在原渡槽下游13 m 處，軸線(xiàn)平行布設(shè)。混凝土是渡槽等水利工程建設(shè)中的主要材料，具有價(jià)格低廉、施工方便以及抗?jié)B性能好的特點(diǎn)[3]。但是，渡槽建筑物需要在復(fù)雜的介質(zhì)環(huán)境下長(zhǎng)期服役，確定其結(jié)構(gòu)的最大性?xún)r(jià)比使用時(shí)間，對(duì)提高工程的安全性，有效避免人力和財(cái)力浪費(fèi)具有重要的意義和價(jià)值[4]。在工程設(shè)計(jì)的前期調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，燈塔灌區(qū)原有渡槽的力學(xué)特征參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)推算的結(jié)果存在比較明顯的差距。究其原因，主要是室內(nèi)試驗(yàn)僅可以考慮少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵因素的影響，而無(wú)法模擬實(shí)際工程應(yīng)用中的復(fù)雜環(huán)境。因此，此次研究基于METS（Multiple environ?mental time similarity theory）理論，有效利用室外建筑耐久劣化規(guī)律與室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中的劣化規(guī)律，推算出目標(biāo)建筑物的精確使用壽命。

2 室內(nèi)外試驗(yàn)數(shù)據(jù)及回歸分析

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及回歸分析

研究中以新建范官渡槽為目標(biāo)建筑物，選取總干3 號(hào)渡槽、二期總干4 號(hào)渡槽、3 號(hào)支渠5 號(hào)渡槽、11 號(hào)支渠1 號(hào)渡槽以及二期總干9 號(hào)渡槽等5個(gè)不同服役年限的典型渡槽為對(duì)照建筑物展開(kāi)研究。通過(guò)對(duì)上述建筑物的設(shè)計(jì)資料和實(shí)地調(diào)查，獲得其材料的選擇和配合比，根據(jù)上述結(jié)果，設(shè)置如表1 所示的3 組不同配合比的試件進(jìn)行室內(nèi)快速凍融試驗(yàn)，獲取不同組別試件的動(dòng)彈性模量以及抗壓指標(biāo)。

表1 試件配合比分組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用Origin9.0 軟件對(duì)上述指標(biāo)的變化過(guò)程進(jìn)行擬合，獲取其衰減變化的實(shí)際規(guī)律[5]。在擬合過(guò)程中，結(jié)合相關(guān)研究成果，采用如下的二次擬合關(guān)系[6]：

式中：Ed為試件的動(dòng)彈性模量，MPa；σn試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；n 為凍融試驗(yàn)次數(shù)；a，b，c，e，f，g 為擬合系數(shù)。

擬合結(jié)果如圖1 和圖2 所示。由圖1 可知，動(dòng)彈性模量擬合曲線(xiàn)斜率最小的是A 組試件，其余兩組在前75 次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本相同，之后開(kāi)始出現(xiàn)差異，且C 組的損失較小。從圖2 可以看出，3組試件的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而增大，其下降的速率比較接近。相對(duì)而言，抗壓強(qiáng)度維持時(shí)間最長(zhǎng)的是C 組試件，可以經(jīng)受約200 次的凍融循環(huán)試驗(yàn)。

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)動(dòng)彈性模量擬合曲線(xiàn)

圖2 室內(nèi)試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度擬合曲線(xiàn)

2.2 室外試驗(yàn)數(shù)據(jù)及回歸分析

采用回彈法對(duì)目標(biāo)建筑物和對(duì)照建筑物的6個(gè)典型測(cè)試區(qū)進(jìn)行回彈試驗(yàn)，利用超聲波對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以獲取實(shí)際工程背景下不同服役年限渡槽的力學(xué)性能結(jié)構(gòu)損壞狀態(tài)。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)建筑的抗壓強(qiáng)度和超聲波波速的擬合，擬合公式仍舊采用類(lèi)似于式（1）的二次表達(dá)式，擬合結(jié)果如圖3 和圖4 所示。由圖3 可知，擬合公式可以較好地反映渡槽結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度與服役時(shí)間之間的變化規(guī)律，而5～35 年的黃金服役期內(nèi)，渡槽的排架是導(dǎo)致整體破壞的主要部位。由圖4 可知，渡槽的排架狀態(tài)相對(duì)較差，在印證抗壓強(qiáng)度結(jié)果的同時(shí)也說(shuō)明排架是影響整個(gè)渡槽服役年限的關(guān)鍵因素。

圖3 室外試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度擬合曲線(xiàn)

圖4 室外試驗(yàn)超聲波波速擬合曲線(xiàn)

3 渡槽結(jié)構(gòu)可使用壽命預(yù)測(cè)

3.1 多重環(huán)境時(shí)間相似理論

相似理論的研究對(duì)象為同類(lèi)現(xiàn)象，是說(shuō)明自然界和工程街中各類(lèi)相似現(xiàn)象及其原理的學(xué)說(shuō)[7]。該理論認(rèn)為同類(lèi)現(xiàn)象滿(mǎn)足同一規(guī)律的相似，則2 個(gè)研究對(duì)象的無(wú)量綱方程組與條件相同，其解也相同。相似理論的核心是3 個(gè)主要定理，其基礎(chǔ)為現(xiàn)象相似的定義，自然界中存在的現(xiàn)象所涉及的各物理量的變化受制于主宰這種現(xiàn)象的客觀(guān)規(guī)律，且這種規(guī)律不會(huì)任意變化。相似現(xiàn)象中所有涉及的物理量屬于客觀(guān)存在的，與測(cè)量方式和單位無(wú)關(guān)[8]。

此次研究以上述相似理論為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)比分析、經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)等各種方法的綜合運(yùn)用，提出了基于相似系數(shù)推導(dǎo)目標(biāo)建筑物使用壽命的多重環(huán)境相似理論（METS）。該理論不同于傳統(tǒng)相似理論的是，將第三方參照物納入考慮體系，不僅可以獲得更為符合實(shí)際的時(shí)間相似關(guān)系，有效避免耐久性參數(shù)在時(shí)間序列方面出現(xiàn)比較大的誤差。同時(shí)，該理論還可以綜合考慮混凝土材料參數(shù)的影響。目前，混凝土耐久性衰減研究方面的諸多推算公式，大多數(shù)是針對(duì)某一項(xiàng)或幾項(xiàng)混凝土參數(shù)提出的，難以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的相似性要求，也難以獲取準(zhǔn)確的結(jié)果。利用METS 方法，混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)侵蝕環(huán)境與室內(nèi)加速試驗(yàn)中的各項(xiàng)指標(biāo)在時(shí)間序列方面的相似關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)中的混凝土試件在相關(guān)指標(biāo)上的衰變關(guān)系，對(duì)實(shí)際服役條件下的衰變規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確推斷，進(jìn)而獲取更為精確的建筑物使用壽命，其預(yù)測(cè)原理如圖5 所示。

圖5 METS 原理示意圖

3.2 新建渡槽壽命預(yù)測(cè)

研究中基于METS 原理，以實(shí)測(cè)獲取的5 個(gè)對(duì)照建筑物各部位的耐久性參數(shù)，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)中獲取的混凝土試件的耐久性參數(shù)進(jìn)行修正。在修正過(guò)程中，將抗壓強(qiáng)度作為主要修正參數(shù)，將相對(duì)動(dòng)彈性模量和超聲波波速作為修正過(guò)程中的輔助參數(shù)。其中，目標(biāo)與對(duì)照建筑物的抗壓強(qiáng)度相似率計(jì)算公式：

式中：θYA( t )，θYB分別為目標(biāo)建筑物和對(duì)照建筑物的時(shí)間相似系數(shù)；YA( t )，YB( t )分別為目標(biāo)建筑物和對(duì)照建筑物的室內(nèi)試件現(xiàn)場(chǎng)抗壓強(qiáng)度，MPa；YA′( t )，YB′( t )分別為與目標(biāo)建筑物和對(duì)照建筑物對(duì)應(yīng)的室內(nèi)試件抗壓強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)，中國(guó)北方寒區(qū)的年均凍融循環(huán)次數(shù)為116 次，而室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中的一次凍融循環(huán)相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的10～15 次凍融循環(huán)。基于上述成果，利用上述公式進(jìn)行計(jì)算，獲得表2的相似率計(jì)算結(jié)果。

表2 渡槽各部位相似率計(jì)算結(jié)果

關(guān)于利用試件的抗壓強(qiáng)度損傷率對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行判斷方面并沒(méi)有明確的研究成果和依據(jù)，因此文章研究利用GB 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定，認(rèn)為相對(duì)動(dòng)彈膜損失至原來(lái)的60%時(shí)，即認(rèn)為試件開(kāi)始產(chǎn)生明顯損壞?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn)，研究中將抗壓強(qiáng)度值和超聲波波速等試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)彈性模量，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為實(shí)際環(huán)境中的凍融次數(shù)，最終確定出建筑物的實(shí)際使用壽命?；谝陨戏椒ǎ扑愠鲂陆ǚ豆俣刹叟偶芎筒凵聿课坏目墒褂脡勖謩e為67.53 年和69.10 年。因此，最終確定渡槽的整體使用壽命為67 年。

研究中，還利用了傳統(tǒng)的威布爾分布方法和有限元分析法對(duì)目標(biāo)建筑物在凍融環(huán)境下的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，結(jié)果為72 年和70 年。顯然，與上述計(jì)算結(jié)果相比，文章基于METS 理論的計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守。究其原因，主要是此次研究著重考慮了室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際工程之間的相似和轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時(shí)還積極借助工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果。因此可以最大限度保證客觀(guān)性條件在渡槽壽命預(yù)測(cè)過(guò)程中的作用發(fā)揮，進(jìn)而在預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性方面得到更多保證。

4 結(jié)語(yǔ)

文章研究以遼寧省燈塔灌區(qū)新建范官渡槽為例，基于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用METS 方法，對(duì)渡槽的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，結(jié)果顯示渡槽的使用壽命為67 年。由于文章研究中將渡槽分為排架和槽身兩部分進(jìn)行研究，因此研究結(jié)果更符合實(shí)際工程的使用環(huán)境，因此給出的服役時(shí)間更為具體和明確。在服役期內(nèi)，可以根據(jù)危險(xiǎn)部位采取具體的維護(hù)措施，大幅節(jié)約維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)渡槽運(yùn)行和管理性?xún)r(jià)比優(yōu)化。當(dāng)然，渡槽結(jié)構(gòu)的劣化是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，在后續(xù)研究中，要進(jìn)一步改進(jìn)試驗(yàn)方案，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。