大口径排水管道(箱涵)是城市排水体系的重要基础设施,承担着城市污水有序收集、运输和维护城市日常运行的重要作用。据调查,上海市合流污水箱涵管龄普遍为10~30年,已进入或接近设计年限中期。混凝土排水箱涵在长期使用过程中,在内部硫化氢气体及污水长期腐蚀下,逐步出现了顶板底部混凝土腐蚀剥落、钢筋锈断脱落等严重结构性缺陷,承载力大大削弱。而随着城市建设快速发展,道路交通日趋繁忙,既有道路负荷的加重、道路扩宽改造或其他日益增加的周边工程活动影响,对这些存在安全隐患的排水箱涵的安全性是极大的考验。

　　 现有的检测及评估规程所采用的检测手段和分析角度以图像分析为主,对管道(箱涵)的结构性缺陷及功能性缺陷进行评级。采用上述方法对排水管道的结构性评估主要基于我国行业标准《城镇排水管道检测与评估技术规程》(CJJ 181—2012),根据检测的结构缺陷结果,特别是检测的影像资料,对缺陷进行定义、打分评定单个缺陷等级和管段缺陷等级^[1] ,主要以定性的形式给予后续处理措施建议,尚不涉及具体的结构分析方法及结构承载能力计算。

　　 结构检测分析方法主要集中在建筑结构、桥梁等土木工程领域,在既有大口径排水箱涵结构评估方面的应用研究鲜有报道。采用结构计算能定量地分析箱涵结构的承载能力及在不同运营工况下箱涵的安全冗余度,这样有利于箱涵管理单位了解箱涵在目前状态下的结构承载力及相对于原设计箱涵的承载力下降幅度,并对箱涵的各种不利运行工况及外部附加荷载进行针对性控制。

　　 本文受上海城投水务(集团)有限公司科研项目“大口径排水管道(箱涵)安全性评估和保护技术研究”资助,以上海市某段既有大口径排水箱涵为研究对象,从箱涵结构承载能力的角度对其结构安全性进行检测评估。

　　 根据搜集的相关设计资料,该箱涵修建于20世纪70年代,为钢筋混凝土单孔箱涵,箱涵顶部埋深为1.2m,外包尺寸(宽×高)为3.2m×2.6m,内净尺寸(宽×高)为2.7m×2.1m,顶板及侧墙设计厚度250mm,腋角设计宽度200mm,详细尺寸与断面配筋设计信息如图1所示,开挖后情况如图2所示。

　　 现场从箱涵混凝土强度、箱涵内壁缺陷及顶板残余厚度等方面入手对该大口径污水箱涵结构现状进行检测,为安全性评估提供参数。

　　 现场按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23—2011),对箱涵混凝土强度进行测试。同时,在箱涵降压运行期间对箱涵顶板钻芯,通过混凝土芯样的抗压强度试验结果对回弹法所得混凝土强度进行修正,综合评价箱涵混凝土强度等级。检测结果表明,修正前回弹法测得混凝土强度36.6MPa,钻芯修正后混凝土抗压强度为34.1 MPa,混凝土强度等级推定为C30。

　　 为了解箱涵受检断面内壁混凝土、钢筋损伤情况,现场采用内窥摄像头通过取芯钻孔对箱涵内部顶板、腋角、侧墙的缺陷状况进行了检测。

　　 此外,为了通过箱涵顶板厚度在纵横剖面方向上的变化情况,间接了解顶板底部混凝土、钢筋的腐蚀程度及分布,并与箱涵内壁损坏直观影像相互印证,现场采用冲击回波法从管外单侧对箱涵顶板厚度进行检测,检测结果详见表1。该方法对箱涵顶板厚度的测试结果与芯样测试厚度相对误差在5%以内,其测试结果精度能满足本工程要求。

　　 检测结果表明,顶板中央区域混凝土腐蚀程度较重,纵向剖面呈凹凸不平状,纵、横钢筋外露、锈胀,局部区域横筋、纵筋全部锈断,板厚原设计250mm,锈蚀后板厚介于186~194mm;北侧靠近侧墙顶板区域腐蚀程度相对较轻,仅保护层受到冲刷,但尚未露筋,粗骨料外露,锈蚀后剩余板厚205~215mm。箱涵横剖面顶板厚度变化曲线见图3。

　　 通过结构检测方法获得箱涵结构相关参数并了解其损伤现状后,需对其承载力进行评估,为后续修缮和管理提供依据。

　　 实践证明,对于挡土墙、重力坝及管涵问题等,离开两端较远之处,按平面应变问题进行分析计算,得到的结果是工程上可用的^[2] 。本文通过大型有限元通用软件ABAQUS,将箱涵与土相互作用问题简化为平面应变问题,采用二维平面单元对箱涵结构进行模拟,并对其结构承载能力进行计算分析。

　　 本次有限元计算中的土体本构模型采用MohrCoulomb(摩尔库伦)塑性模型,模型中土体计算参数取值见表2。限于条件,土体计算参数主要根据经验取值。

　　 有限元模型中的土体和箱涵均采用二维实体单元模拟。

　　 X向为箱涵水平方向,Y向为箱涵竖直方向。模型的X-Y平面表示箱涵横断面,该平面上部边界为自由边界,底部边界固定,其余各边分别限制其水平方向的位移。土体和箱涵交界面节点绑定以保证变形协调。

　　 按正常使用极限状态计算原设计和现状箱涵为空管、半管水、四分之三管水、满水状态下的箱涵承载力情况,根据《给水排水工程管道结构设计规范》(GB 50332—2002)^[3] ,对比分析箱涵结构腐蚀破坏后与原设计条件下承载力的变化情况。

　　 基于原设计箱涵的设计信息及现场实测数据,按箱涵受力最不利状态,分别针对原设计箱涵与当前受损箱涵建立了箱涵与土体共同作用的有限元计算模型,如图4所示。

　　 对于原设计箱涵,将箱涵顶板或底板裂缝宽度不超过0.2mm作为箱涵承载力是否满足要求的控制条件。对于目前箱涵,箱涵顶板较腋角、侧墙部位损坏更为严重,是箱涵承载力薄弱部分和承载力关键控制构件。因其顶板底部钢筋已出现断裂、严重腐蚀的情况,钢筋所起到作用近乎失效,故将箱涵顶板底部混凝土开裂时的拉应力计算值是否超过实测混凝土等级对应抗拉强度值作为箱涵承载力是否满足要求的控制条件。

　　 箱涵顶部竖向荷载(地面堆载、人群荷载、汽车荷载的竖向部分等)对其承载力影响较大。按正常使用极限状态分别计算泵站公路断面处原设计箱涵及目前箱涵在空管、半管水、四分之三管水、满水4种较常见的运营状态下的承载力及还可承担的额外地面附加竖向荷载。

　　 箱涵承载力计算结果见表3,典型的有限元模型应力云图见图5、图6。

　　 按正常使用极限状态计算,原设计箱涵在空管运营状态下容许地面附加竖向荷载最小,为140kPa;半管水和四分之三管水运营状态下容许地面附加竖向荷载相同,均为150kPa,较空管小幅增加;满水运营状态下容许地面附加竖向荷载最大,为180kPa。

　　 相比之下,目前箱涵在空管、半管水、四分之三管水、满水运营状态下的容许地面附加竖向荷载较原设计箱涵有较大幅度降低。其中,空管、半管水、四分之三管水运营状态下目前箱涵容许地面附加竖向荷载均为16kPa,满水运营状态下容许地面附加竖向荷载为33kPa;空管状态下容许地面附加竖向荷载降低了88.6%,半管水和四分之三管水状态下容许地面附加竖向荷载承载力降低了89.3%,满水状态下容许地面附加竖向荷载降低了81.7%。

　　 本文将回弹法、冲击回波法用于大口径排水箱涵结构检测,获取承载能力指标数据,针对原设计箱涵和目前箱涵分别建立二维有限元模型,对两者箱涵的结构承载能力进行计算分析及比较,并得出箱涵容许附加竖向荷载,可为管线管理单位对其进行加固及确保其安全运营提供依据。主要结论如下:

　　 (1)回弹法可用于评价大口径混凝土箱涵的材料强度,若具备条件,可采用钻芯法对结果进行修正。

　　 (2)冲击回波法可用于大口径箱涵壁厚的管外单侧无损检测。

　　 (3)在对箱涵安全性评估时,引入结构分析方法定量分析箱涵结构的承载能力,有利于对箱涵不利的运行工况及上部附加荷载进行针对性的控制。

　　 (4)从箱涵内壁缺陷及残余厚度检测及后续的箱涵结构承载能力对比分析可知,相对于原始箱涵,现有箱涵内部结构腐蚀较为严重,结构承载能力下降较大。建议对此类老旧箱涵应严格控制上部附加竖向荷载,并采取相应的措施进行修缮处理。