混凝土重力壩服役壽命預(yù)測研究

張海鵬，張海坤

（1.濟(jì)寧市梁濟(jì)運(yùn)河工程養(yǎng)護(hù)服務(wù)中心，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東省小清河管理局，山東 濟(jì)南 250014）

混凝土重力壩服役壽命預(yù)測研究

張海鵬1，張海坤2

（1.濟(jì)寧市梁濟(jì)運(yùn)河工程養(yǎng)護(hù)服務(wù)中心，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東省小清河管理局，山東 濟(jì)南 250014）

文章考慮大壩體系存在多種失效模式及時變效應(yīng)，利用JC法計算各失效模式的失效概率的基礎(chǔ)上，基于窄界限法，提出了時變風(fēng)險率的計算方法。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)大壩服役壽命標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測重力壩的剩余服役壽命。

大壩；服役壽命；失效概率；JC法；窄界限法

混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命分為三類：功能性使用壽命、技術(shù)性使用壽命和經(jīng)濟(jì)性使用壽命。目前人們所說的使用壽命基本上指結(jié)構(gòu)技術(shù)性使用壽命，是指結(jié)構(gòu)滿足各項設(shè)計功能要求，能安全運(yùn)行未進(jìn)行大規(guī)模補(bǔ)強(qiáng)加固工程的使用年限。我國20世紀(jì)80年代以前修建的混凝土壩由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工質(zhì)量差、管理不善等原因，過早出現(xiàn)老化病害，運(yùn)行不到30年就要花費巨資大修。近年來，國內(nèi)建成的混凝土壩也有剛建成即成為病險壩而不得不進(jìn)行除險加固，使得混凝土壩的服役壽命受到嚴(yán)重?fù)p害。因此，對水工混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命或生存壽命進(jìn)行風(fēng)險評估具有重大意義。

1 剩余壽命評估標(biāo)準(zhǔn)

確定目標(biāo)可靠指標(biāo)的方法主要有：事故類比法、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化法、社會效應(yīng)優(yōu)化法以及經(jīng)驗校準(zhǔn)法。經(jīng)驗校準(zhǔn)法是現(xiàn)階段常用的確定目標(biāo)可靠指標(biāo)的方法，通過對現(xiàn)行規(guī)范可靠度的反演計算，再經(jīng)過綜合分析和調(diào)整來確定規(guī)范的目標(biāo)可靠指標(biāo)βT。

在《工程結(jié)構(gòu)可靠性理論與應(yīng)用》和《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》中建議α取0.85，認(rèn)為當(dāng)結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)βTM＜0.85βT時，該結(jié)構(gòu)己處于破損狀態(tài)，必須采取一定的處理措施才能繼續(xù)使用。本文將βTM=0.85βT作為服役大壩結(jié)構(gòu)達(dá)到剩余使用壽命終點的標(biāo)志。

2 大壩服役壽命評估模型

2.1 大壩服役壽命函數(shù)及失效概率計算

1）壽命分布函數(shù)。記混凝土壩性能的劣化過程為Ψ（t），用指數(shù)分布函數(shù)表示，即：

式中：λ為失效概率；t為時間；t0的值通過檢測得到。

2）大壩單一失效模式失效概率。大壩某單一失效模式的功能函數(shù)可表示為：

式中：x1，x2，…，xn為大壩結(jié)構(gòu)抗力、荷載等基本隨機(jī)變量。

則其失效概率為：

式中：Ω為失效域；f（x1，x2，…，xn）為隨機(jī)變量的聯(lián)合概率密度函數(shù)。

要求解（3）較困難，通常通過求解可靠度指標(biāo)β來求解失效概率Pf。推導(dǎo)可得出可靠度指標(biāo)和失效概率的對應(yīng)關(guān)系為：

3）大壩結(jié)構(gòu)體系失效概率。大壩失效模式按邏輯關(guān)系可以分為串聯(lián)體系，并聯(lián)體系和串并聯(lián)混合體系。本文采用窄界限法計算大壩結(jié)構(gòu)體系的失效概率。

串聯(lián)體系的窄界限公式為：

式中：Pfij為兩個失效模式共同失效的概率。根據(jù)在役結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)0.85βT，結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命為Ts′：

結(jié)構(gòu)的使用壽命Ts=Ts′+t0。

2.2 考慮時變效應(yīng)的大壩服役壽命評估流程

大壩服役壽命評估流程如下：1）確定大壩的使用壽命終止標(biāo)準(zhǔn)和評估準(zhǔn)則；2）對大壩結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境及材料特性進(jìn)行檢測，對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，建立結(jié)構(gòu)抗力的衰減模型；結(jié)合結(jié)構(gòu)工作現(xiàn)狀和使用要求，初步鑒定結(jié)構(gòu)繼續(xù)使用年限TM；確定荷載評估期TE，采用JC法計算單一失效模式的時變可靠度。3）基于窄界限法，計算結(jié)構(gòu)TM年內(nèi)的系統(tǒng)動態(tài)可靠指標(biāo)；4）當(dāng)動態(tài)可靠指標(biāo)β（TM）小于結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)0.85βT時，即可求出結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3 工程實例

巖灘水庫重力壩非溢流壩段典型剖面如圖1所示，現(xiàn)取單位壩段進(jìn)行分析。

圖1 某重力壩典型剖面m

其設(shè)計時的隨機(jī)變量及其統(tǒng)計特征見表1。該重力壩已使用15年，μH1=67.54、σH1=0.68、μH2= 20.61、σH2=0.25。γc取衰減函數(shù)Ψγc（t）=e-0.0005t，α取衰減函數(shù)Ψα（t）=（1.005）t，f′、c′取Ψf′/c′（t）=e-0.005t。

考慮該重力壩的3種失效模式以串聯(lián)結(jié)構(gòu)的形式存在，即重力壩沿壩基面滑動、壩踵抗拉和壩趾抗壓3種失效模式，根據(jù)該重力壩的基本參數(shù)，得到各失效模式的極限狀態(tài)方程如下：在此基礎(chǔ)上，利用JC法和窄界限法得到時變綜合可靠度指標(biāo)和綜合風(fēng)險率。

本文采用β=0.85βT=3.15作為服役大壩結(jié)構(gòu)在繼續(xù)使用期內(nèi)達(dá)到剩余使用壽命終點的標(biāo)志。則當(dāng)大壩綜合可靠度指標(biāo)βs＜β=3.15時，大壩將結(jié)束服役期壽命。當(dāng)TM=30年時，達(dá)到大壩結(jié)構(gòu)剩余使用壽命終止標(biāo)準(zhǔn)，即該大壩的服役壽命為45年。

表1 隨機(jī)變量及其統(tǒng)計特征

4 結(jié)語

隨著使用年限的增長，大壩失效風(fēng)險率增長，結(jié)構(gòu)的剩余壽命是一個相對概念，只是針對待定的評判準(zhǔn)則而言的。若結(jié)構(gòu)損傷不是很嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)的可靠度略高于允許的可靠度，補(bǔ)強(qiáng)加固費在可接受范圍之內(nèi)，可以對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。加強(qiáng)壩體及壩基的監(jiān)測，及時維修，防止產(chǎn)生較大損傷，使得大壩超長期服役。

[1]金賢玉,顧祥林,田野,等.混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命設(shè)計的探索與研究進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展,2009,28(11):26-35.

[2]2001GB.建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S][D].,2001.

（責(zé)任編輯崔春梅）

F426.91

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1009-6159（2017）-02-0045-02

2016-09-05

張海鵬（1974—），男，工程師