引滦入唐工程某渡槽裂缝成因及对策分析

摘要：针对引滦入唐工程中某渡槽的开裂情况，从渡槽的两个使用状态入手进行分析，考虑按旧规范计算对设计造成的误差，采用大型有限元分析程序分析了渡槽各种工况的运行情况，并根据使用情况分析了开裂原因，提出了加固意见和同类渡槽设计的建议。

关键词：渡槽；裂缝；温度应力；计算模型

中图分类号：TV672文献标识码：B文章编号：1672-1683（2007）01-0085-02

Crack Analysis and Countermeasures on an Aqueduct in the Water Diversion Project from the Luanhe River to Tangshan City

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SONG Li1，ZHANG Xiao-ying2，GAO Yu-qin1，QUAO Rui-she1

（1. Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003，China；

2. Dept of Basic Courses, Xi"an University of Science &Technology, Xi"an 710054，China）

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Abstract: Aiming at the crack situation of an aqueduct of the water diversion project, we carry on the analysis from two running states of the flume, considering the error which is produced by the internal force calculation according to the old standard, uses a large-scale finite element analysis to analyze the running states, and analyzes the reason of the crack forming based on the using condition, and brings forward the reinforcement opinion and design suggestion about the similar flume.

Key word:flume；crack；temperature stress；analysis model

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1 工程概况 

某渡槽为三级建筑物，抗震按7度设防。渡槽全长654.0 m，其中主槽长560.0 m，进口连接段5.0 m，出口弯道69.0 m，出口连接段20.0 m，设计流量65.0 m³/s，校核流量75.0 m³/s。结构型式采用重力墩式钢筋混凝土矩形槽，共56跨，单跨为10.0 m，断面尺寸6.0×4.4 m，槽底纵坡1/1 000。侧墙及底板厚0.5 m，顶板为预制板，吊装后与侧墙预埋钢筋固结。表面浇筑二期混凝土，两边设栏杆。槽身伸缩缝设橡胶止水，用钢板和螺栓固定在两边。槽身用浆砌石重力墩支撑，墩顶现浇钢筋混凝土台帽，槽身落在3 cm厚的橡胶支座上，用以调解因温度变化而引起的槽身微动。

2 开裂分析

2.1 裂缝现状

整个渡槽目前开裂非常严重，根据滦河管理处提供的裂缝检测报告，目前共发现裂缝206条，缝长0.5～7.0 m，总长度849.3 m，缝宽在0.07～1.02 mm之间。其中底板裂缝95条，左侧墙裂缝60条，右侧墙裂缝51条。典型裂缝分布可参考图1。另外裂缝在水位线以下的部分全部有漏水痕迹。

2.2 开裂可能原因的分析

根据上面的裂缝分布及裂缝长度和宽度等，经过综合分析，认为可能开裂的原因有下面几条。

（1）在设计的时候由于计算模型选取不当，造成内力计算与结构实际受力相差较大，从而导致在开裂部位钢筋配置的数量不足，渡槽由于承载能力不够而开裂；（2）施工原因，没有按设计要求进行施工，达不到设计承载力而开裂；（3）设计时，荷载工况选择不当或漏选了某种荷载，而此荷载在渡槽的实际运行中对承载力的影响不可忽视，造成结构失效开裂。

2.3 开裂的力学分析

混凝土结构，构件开裂均有共同的力学原因，即在开裂部位由荷载产生的应力超过了渡槽本身混凝土所能承受的应力，见方程（1），因此渡槽开裂应从力学行为方面寻找失效点，并根据失效原因和程度采取相应的加固措施。

3 渡槽的力学模型

3.1 国内外的研究现状

关于渡槽的力学模型，国内外许多专家提出了相关模型，概括分析大致可以分为以下3个。

（1）杆系结构模型，主要以结构力学杆件为主要设计构件，存在着典型构件并不能反应渡槽薄弱部分的缺陷；（2）壳体结构模型，在杆系结构模型基础上的一个改进模型，可兼顾渡槽横向和纵向受力，但主要是二维平面内的力学分析；（3）空间三维实体模型，可较全面的反应渡槽的力学特性，但规范对应力配筋并无明确规定，故一般用来做抗裂分析等，较少用来配筋设计。

3.2 渡槽的力学模型

综合分析，渡槽的力学分析模型，采用空间三维实体模型作为其开裂原因的主要分析模型，同时为了验证其极限承载能力，采用规范规定的结构力学模型分析极限承载能力。

钢筋混凝土有限元模型有整体式模型、分离式模型和层状模型3种，本渡槽采用整体式模型。钢筋对混凝土的弹模增加效应，按公式（2）考虑，其中μ为配筋率。材料的泊松比根据《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191-96）取0.167，本构关系按照线弹性模量考虑。

分析单元采用6面体20节点等参单元，单元形状见图2，同时为了避免由于单元尺寸过小而造成累计误差过大，单元尺寸采用250.0 mm，并且尽量用六面体单元进行计算，在六面体单元无法进行下去时，可允许少量的契形退化单元出现。根据上面的原则，将渡槽划分为7 485个单元，共用42 175个节点连接起来。有限元模型见图3。

结构力学计算模型取渡槽垂直于水流方向的横断面，单宽为1 000.0 mm，见图4。

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4 力学结果及分析

4.1 力学结果

根据上述模型，分别对渡槽的正常使用状态和极限承载能力状态做了校核，其中极限承载能力状态为校核洪水位，结果见表1和表2。

4.2 结果分析

本工程渡槽混凝土为200号，相当于C18，故ft＝1.1 MPa，根据《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191-96），因此在正常使用状态中考虑温度荷载的情况下，渡槽底板和侧墙均有不同部位拉应力超过规定值，结构将出现裂缝；在渡槽极限承载能力状态下，除底板和侧墙纵向受力钢筋面积不足之外，其余均满足配筋要求。

4.3 裂缝原因判断及分析

根据上述结果，裂缝的主要原因为，《水工钢筋混凝土结构设计规范》（SDJ20-78）考虑温度应力不全，造成在正常使用状态下由于温度应力的问题引起结构的表层裂缝，表层裂缝开展导致钢筋锈蚀，加剧了结构承载力降低，进而导致裂缝的扩展；同样的，由于SDJ20-78规范对渡槽纵向结构力学计算规定不足，在设计时对纵向配筋重视程度不够，仅按构造配筋进行，导致纵向结构极限承载能力不足，在承受较大荷载时，造成较多的横向裂缝。

5 加固初步意见

根据裂缝原因分析，针对渡槽加固，提出初步意见如下。

（1）对渡槽内外壁涂绝热环保材料，减少渡槽内外壁温差；（2）对渡槽纵向的底板下侧、侧墙外侧使用碳纤维布或其它方式弥补其极限承载能力不足的缺陷；（3）裂缝的处理，宜在裂缝处凿1～3 cm的凹槽，使用高强砂浆先将裂缝灌满并抹平。

6 关于设计的几个建议

早期已建渡槽等水工建筑物普遍存在着本文所说的问题，虽然《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191-96）针对上述问题已有所解决，但在设计中，仍应注意以下几个问题。

（1）力学模型采用，在正常使用状态时，建议采用三维有限元模型，在极限承载能力状态时，建议采用结构力学模型；（2）温度应力，建议对大型渡槽，应分施工期、运用期、特殊期3个阶段进行温度应力分析；（3）纵向结构的受力，要针对渡槽纵向结构的力学特性做专项分析，不能仅对纵向结构按构造要求进行配筋；（4）混凝土耐久性问题，采用高强低碳化率材料建造渡槽，并针对碳化和钢筋锈蚀问题，应用智能修复材料提高耐久性。

参考文献：

［1］ 朱伯芳.有限单元法原理与应用（第二版）［M］.北京：中国水利水电出版社，1998.

［2］ C.K.Wang,Matrix Methods of Structural Analysis（No.2 Edition）［M］. New York and London,Intext Educational Publishers,1970.

［3］ 龙驭球，包世华.结构力学教程（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［4］ 水利部.水工钢筋混凝土结构设计规范（SL/T191-96）［S］.北京：1996.

［5］ 河海大学.水工钢筋混凝土结构学（第三版）［M］.北京：中国水利水电出版社，2001.

［6］ 宋森正，张启海.渡槽设计与电算程序［M］.济南：山东科学技术出版社，1997.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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