水电站钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝特征及时变可靠度研究

At present the research about durability assessment and remaining life prediction of steel lined reinforced concrete penstocks in hydropower station is scarce, and there are some existing issues in concrete crack calculation formula of steel lined reinforced concrete penstocks. In the face of this, this research group will conduct the concrete crack width observation test of steel lined reinforced concrete penstocks, reinforcement corrosion test in steel lined reinforced concrete penstocks under the combination of loading and concrete carbonation, as well as the nonlinear finite simulation analysis. Based on the test and simulation analysis results, the systematic study on the time dependent reliability of steel lined reinforced concrete penstocks in terms of cracking and reinforcement corrosion will be conducted. The study results can be used to set up the reasonable axial crack width calculation formula based on guarantee rate and the quantitative durability evaluation method as well as the remaining useful life prediction criterion for steel lined reinforced concrete penstocks in hydropower station. And the research results can also be used to provide scientific basis for the corresponding specification perfection about crack control and durability design of steel lined reinforced concrete penstocks.

针对我国既有水电站钢衬钢筋混凝土压力管道耐久性评估和剩余使用寿命预测研究较少以及外包混凝土结构裂缝宽度计算公式存在的问题，拟采用模型试验与非线性有限元数值模拟分析相结合的方法，对钢衬钢筋混凝土压力管道考虑外包混凝土结构轴向裂缝和环向钢筋锈蚀影响的时变可靠度进行系统研究，重点研究钢衬钢筋混凝土压力管道外包混凝土结构的轴向的裂缝开展机理和管道抗力退化机理，以期建立合理的钢衬钢筋混凝土压力管道外包混凝土结构基于一定保证率的轴向裂缝宽度计算模型和耐久性评估及剩余使用寿命预测的定量评价方法。预期研究成果可为完善我国《水电站压力钢管设计规范》钢衬钢筋混凝土压力管道的裂缝控制及耐久性设计提供理论依据和技术支持。

针对水电站钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝控制标准可靠度研究尚不充分的情况，开展了如下几方面的研究：1、开展荷载作用下开裂钢筋混凝土结构耐久性及其可靠度计算理论研究。以弯矩与抗弯承载力之比作为荷载水平指标，对氯离子在混凝土受弯梁中的扩散行为进行研究，建立荷载水平与氯离子扩散系数的函数关系，进而提出考虑荷载作用下钢筋表面氯离子浓度达到临界值的极限状态方程及相应耐久性可靠度计算方法。结合算例，对浪溅区混凝土梁构件在不同荷载水平下的耐久性可靠指标进行计算。结果表明：从确保服役混凝土梁构件达到预期耐久性要求出发，建议对应浪溅区设计使用年限分别为30年、50年以及100年梁构件，相应的最小保护层厚度应分别取为60mm，65mm和75mm，相应的最大水灰比限值均建议取为0.36。2、开展钢衬钢筋混凝土混凝土结构裂缝控制可靠度理论研究。将蒙特卡洛法与董哲仁法裂缝宽度计算公式相结合，结合工程实例及模型试验参数，对我国现行钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝控制标准的可靠度指标进行了计算，并分析了主要的影响因素。研究表明目前我国钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝控制标准的安全度设置水平整体略低，但处于允许范围内；裂缝宽度限值、保护层厚度以及有效配筋率等对裂缝控制标准的可靠度水平影响均较为显著。3、将前两部分研究内容相结合，开展钢衬钢筋混凝土混凝土结构基于耐久性的模糊可靠度理论研究。联合董哲仁公式与国茂华公式，并引入基于模糊式性函数的Monte Carlo法，建立一种新可靠度计算方法。结合现有工程实例和实验模型数据，对我国现行钢衬钢筋混凝土压力管道裂缝控制标准的模糊可靠度指标进行计算，并分析影响模糊可靠度的主要影响因素。研究表明钢衬厚度、保护层厚度和有效配筋率对裂缝控制标准模糊可靠度指标影响显著，整体安全度水平适中；从安全度设置水平角度出发，压力管道裂缝控制限值建议从0.3mm扩大至0.5mm。