基于METS理論的渡槽結構壽命預測研究

張藝瓊

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽110166）

1 工程背景

遼寧省燈塔灌區始建于1974 年，建成后成為遼寧省中部地區重要的商品糧生產基地[1]。灌區的總干渠長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 個鄉鎮近26.4 萬人受益。由于灌區建成運行時間較長且始建標準不高，其損毀比較嚴重，對灌區功能的發揮造成明顯制約。因此，遼寧省及當地政府積極籌措資金進行灌區的節水改造工程[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，軸線平行布設。混凝土是渡槽等水利工程建設中的主要材料，具有價格低廉、施工方便以及抗滲性能好的特點[3]。但是，渡槽建筑物需要在復雜的介質環境下長期服役，確定其結構的最大性價比使用時間，對提高工程的安全性，有效避免人力和財力浪費具有重要的意義和價值[4]。在工程設計的前期調查過程中發現，燈塔灌區原有渡槽的力學特征參數與室內試驗推算的結果存在比較明顯的差距。究其原因，主要是室內試驗僅可以考慮少數幾個關鍵因素的影響，而無法模擬實際工程應用中的復雜環境。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律與室內試驗過程中的劣化規律，推算出目標建筑物的精確使用壽命。

2 室內外試驗數據及回歸分析

2.1 室內試驗數據及回歸分析

研究中以新建范官渡槽為目標建筑物，選取總干3 號渡槽、二期總干4 號渡槽、3 號支渠5 號渡槽、11 號支渠1 號渡槽以及二期總干9 號渡槽等5個不同服役年限的典型渡槽為對照建筑物展開研究。通過對上述建筑物的設計資料和實地調查，獲得其材料的選擇和配合比，根據上述結果，設置如表1 所示的3 組不同配合比的試件進行室內快速凍融試驗，獲取不同組別試件的動彈性模量以及抗壓指標。

表1 試件配合比分組實驗設計

利用Origin9.0 軟件對上述指標的變化過程進行擬合，獲取其衰減變化的實際規律[5]。在擬合過程中，結合相關研究成果，采用如下的二次擬合關系[6]：

式中：Ed為試件的動彈性模量，MPa；σn試件的抗壓強度，MPa；n 為凍融試驗次數；a，b，c，e，f，g 為擬合系數。

擬合結果如圖1 和圖2 所示。由圖1 可知，動彈性模量擬合曲線斜率最小的是A 組試件，其余兩組在前75 次實驗的結果基本相同，之后開始出現差異，且C 組的損失較小。從圖2 可以看出，3組試件的抗壓強度隨著水灰比的增大而增大，其下降的速率比較接近。相對而言，抗壓強度維持時間最長的是C 組試件，可以經受約200 次的凍融循環試驗。

圖1 室內試驗動彈性模量擬合曲線

圖2 室內試驗抗壓強度擬合曲線

2.2 室外試驗數據及回歸分析

采用回彈法對目標建筑物和對照建筑物的6個典型測試區進行回彈試驗，利用超聲波對渡槽結構的關鍵部位進行無損檢測，以獲取實際工程背景下不同服役年限渡槽的力學性能結構損壞狀態。基于試驗數據進行現場建筑的抗壓強度和超聲波波速的擬合，擬合公式仍舊采用類似于式（1）的二次表達式，擬合結果如圖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構的抗壓強度與服役時間之間的變化規律，而5～35 年的黃金服役期內，渡槽的排架是導致整體破壞的主要部位。由圖4 可知，渡槽的排架狀態相對較差，在印證抗壓強度結果的同時也說明排架是影響整個渡槽服役年限的關鍵因素。

圖3 室外試驗抗壓強度擬合曲線

圖4 室外試驗超聲波波速擬合曲線

3 渡槽結構可使用壽命預測

3.1 多重環境時間相似理論

相似理論的研究對象為同類現象，是說明自然界和工程街中各類相似現象及其原理的學說[7]。該理論認為同類現象滿足同一規律的相似，則2 個研究對象的無量綱方程組與條件相同，其解也相同。相似理論的核心是3 個主要定理，其基礎為現象相似的定義，自然界中存在的現象所涉及的各物理量的變化受制于主宰這種現象的客觀規律，且這種規律不會任意變化。相似現象中所有涉及的物理量屬于客觀存在的，與測量方式和單位無關[8]。

此次研究以上述相似理論為基礎，通過對比分析、經驗預測等各種方法的綜合運用，提出了基于相似系數推導目標建筑物使用壽命的多重環境相似理論（METS）。該理論不同于傳統相似理論的是，將第三方參照物納入考慮體系，不僅可以獲得更為符合實際的時間相似關系，有效避免耐久性參數在時間序列方面出現比較大的誤差。同時，該理論還可以綜合考慮混凝土材料參數的影響。目前，混凝土耐久性衰減研究方面的諸多推算公式，大多數是針對某一項或幾項混凝土參數提出的，難以滿足實驗過程中的相似性要求，也難以獲取準確的結果。利用METS 方法，混凝土結構在實現現場侵蝕環境與室內加速試驗中的各項指標在時間序列方面的相似關系，進而通過室內試驗中的混凝土試件在相關指標上的衰變關系，對實際服役條件下的衰變規律進行準確推斷，進而獲取更為精確的建筑物使用壽命，其預測原理如圖5 所示。

圖5 METS 原理示意圖

3.2 新建渡槽壽命預測

研究中基于METS 原理，以實測獲取的5 個對照建筑物各部位的耐久性參數，對室內試驗中獲取的混凝土試件的耐久性參數進行修正。在修正過程中，將抗壓強度作為主要修正參數，將相對動彈性模量和超聲波波速作為修正過程中的輔助參數。其中，目標與對照建筑物的抗壓強度相似率計算公式：

式中：θYA( t )，θYB分別為目標建筑物和對照建筑物的時間相似系數；YA( t )，YB( t )分別為目標建筑物和對照建筑物的室內試件現場抗壓強度，MPa；YA′( t )，YB′( t )分別為與目標建筑物和對照建筑物對應的室內試件抗壓強度，MPa。

根據相關研究文獻，中國北方寒區的年均凍融循環次數為116 次，而室內試驗過程中的一次凍融循環相當于現場環境下的10～15 次凍融循環。基于上述成果，利用上述公式進行計算，獲得表2的相似率計算結果。

表2 渡槽各部位相似率計算結果

關于利用試件的抗壓強度損傷率對混凝土結構損傷進行判斷方面并沒有明確的研究成果和依據，因此文章研究利用GB 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》中的相關規定，認為相對動彈膜損失至原來的60%時，即認為試件開始產生明顯損壞。基于上述標準，研究中將抗壓強度值和超聲波波速等試驗數據轉變為動彈性模量，進而轉換為實際環境中的凍融次數，最終確定出建筑物的實際使用壽命。基于以上方法，推算出新建范官渡槽排架和槽身部位的可使用壽命分別為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，還利用了傳統的威布爾分布方法和有限元分析法對目標建筑物在凍融環境下的使用壽命進行預測計算，結果為72 年和70 年。顯然，與上述計算結果相比，文章基于METS 理論的計算結果相對保守。究其原因，主要是此次研究著重考慮了室內試驗和實際工程之間的相似和轉換關系，同時還積極借助工程經驗和試驗結果。因此可以最大限度保證客觀性條件在渡槽壽命預測過程中的作用發揮，進而在預測結果的準確性和實用性方面得到更多保證。

4 結語

文章研究以遼寧省燈塔灌區新建范官渡槽為例，基于室內試驗和現場試驗數據，利用METS 方法，對渡槽的使用壽命進行預測研究，結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行研究，因此研究結果更符合實際工程的使用環境，因此給出的服役時間更為具體和明確。在服役期內，可以根據危險部位采取具體的維護措施，大幅節約維護成本，實現渡槽運行和管理性價比優化。當然，渡槽結構的劣化是一個十分復雜的過程，在后續研究中，要進一步改進試驗方案，提高試驗數據和預測的準確度。