基于多重环境时间相似理论的灌区渡槽结构寿命预测

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混凝土结构在服役过程中受外界环境中温差、盐离子侵蚀等条件的耦合作用下,其实际可用寿命(无突发状况)与预期服役年限存在一定差值,同时某一时间状态下结构的服役状态也会与预期效果产生偏差。因此,目前需要对混凝土结构实际可用寿命进行有效预测,将结构整体的服役状态与服役时间进行关联,以便以此作为数据基础对结构进行适当的维护与修理,避免不到位修补或过度修补,保障人力财力的正常分配与结构功能的充分发挥。本文选取西北景泰川电力提灌工程中的渡槽建筑物为目标对象,利用多重环境时间相似理论(Multiple environmental time similarity theory,METS)对其进行寿命预测。该理论是基于相似理论的基本内容,加入与目标对象服役环境相似的多个服役年限不同的对照建筑物作为现场实测试验与室内加速试验的联系,以此满足二者在服役环境条件上的相似条件;通过对比室内加速试验与现场实测试验中耐久性指标衰减规律,即得到室内试验与现场试验间的时间相似关系。综合考虑这种时间与环境的多条件的相似关系,进而结合表征混凝土耐久性的各项指标衰减规律的相似性可以对景电灌区内主要遭受盐侵-冻融耦合作用的水工混凝土结构进行客观、可信度高的可服役年限预测。为明确盐侵-冻融耦合作用下,景电灌区内分布范围最广的输水建筑物——渡槽其实际可服役年限的多少,基于METS理论,依据服役环境中的温度变化与盐离子含量的测定,确定室内快速冻融试验中的物理参数后,将与目标建筑物和对照建筑物具有相同配合比的混凝土试件放入3%NaCl+5%Na2SO4中进行快速冻融试验,对试件的表观状况、宏观指标、内部密实状态进行测定,建立试件耐久性指标的衰减公式;同时对现场的目标建筑物与多个对照建筑物的表观状况、宏观指标、内部密实状态和钢筋锈蚀状态进行实测,得到不同服役时间状态下反映混凝土耐久性指标的数值与变化规律。将这两部分试验同时进行横向与纵向探讨,结合已有经验,对各类指标的衰变常数进行比对与修正,进而利用这种环境与时间关系中的多条件相似的基础对目标渡槽结构在实际服役环境中的可使用寿命进行评估和预测,明确建筑物本身修补的最佳时间与手段,做到资源的合理利用与分配。具体结论如下:(1)服役环境处于西北灌区的渡槽其表现均出现了槽身的下部较其上部损伤较大、排架的近地面位置损伤较远地面位置较大的损害状态,这是因为它们受到的盐离子侵蚀较多,在相同的冻融循环作用下受到的盐冻复合作用更大,在实际运行中的危险系数更高。通过钢筋锈蚀的试验结果发现服役47年的结构的锈蚀概率超过95%,需采取一定手段缓解锈蚀情况。(2)通过对不同配合比的混凝土试件的进行抗盐冻性能测试,得知水灰比对混凝土影响较大,适当范围内的水灰比越小,混凝土越密实,内部结构越稳定,在盐侵-冻融耦合作用下的耐久性能保持较好,各项指标的衰减速率也小于水灰比大的混凝土试件。因此,针对寒冷地区的混凝土结构,可适当减小配合比中的水灰比,以增加结构的抗冻耐侵性能。(3)利用各类建筑物和与其的混凝土试件的抗压强衰减的相似系数,基于室内试验推算二期总干的24#渡槽(新)的抗压强度的变化规律,并利用动弹模量、抗压强度、超声波波速三者间的关系式,得到该渡槽整体可用年限为68.63年,但槽身部位较排架部位的损伤较小,排架受到的盐冻破坏较为严重,直接制约渡槽整体的服役寿命。
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