某沉降槽筒倉(cāng)滲裂事故的成因分析及加固處理

唐理　楊蘇杭　姜景

南京建研建設(shè)工程質(zhì)量安全鑒定有限公司　江蘇南京210008

江蘇省蘇科建設(shè)技術(shù)發(fā)展有限公司　江蘇南京210008

1、工程概況

    某化工廠建設(shè)的磷酸沉降槽工段，為6個(gè)1組的單列鋼筋混凝土簡(jiǎn)倉(cāng)形式的特種結(jié)構(gòu)，用于儲(chǔ)藏液體磷酸原料。單個(gè)筒倉(cāng)形狀上部為方筒，下部為四角錐形，該沉降槽竣工后，初次儲(chǔ)液即發(fā)現(xiàn)錐形倉(cāng)底板的外壁面、內(nèi)壁轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)不同程度的裂縫，因液體滲漏嚴(yán)重，而被迫停止使用。

2、裂縫事故成因分析

    工程事故發(fā)生后，業(yè)主委托進(jìn)行檢測(cè)、鑒定和進(jìn)行事故原因分析，具體如下：

    2.1現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)

    經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果在25．1 MPa左右。主要構(gòu)件尺寸與布置符合原設(shè)計(jì)要求，但在原設(shè)計(jì)中，在筒倉(cāng)內(nèi)壁設(shè)置有鋼筋混凝土肋，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)則未發(fā)現(xiàn)。該2#、5#筒倉(cāng)外壁裂縫呈“Y”形，裂縫表面寬度最大值為O.20mm，且部分存在液漏痕跡，內(nèi)壁轉(zhuǎn)角表面裂縫寬度最大值為0.40mm

    2.2有限元計(jì)算分析

    (1)計(jì)算模型與荷載

    選取整體結(jié)構(gòu)的一個(gè)筒倉(cāng)單元作為對(duì)象，采用 ANAsYs9.0軟件建模分析。混凝土選用SOLID45單元模擬．彈性模量3×104N/mm2，泊松比0.167。取標(biāo)高為6.9m處的支撐柱頂作為嵌固部位，柱截面尺寸400min×400mm，上下圈梁高900mm，壁板厚250mm。

    該單元設(shè)計(jì)儲(chǔ)液重量為3500kN，磷酸密度為l.5g/m，倉(cāng)壁液體壓應(yīng)力為三角形分布荷載，倉(cāng)底漏斗為梯形分布荷載，按此施加荷載即可模擬磷酸液體滿載情況下的使用狀態(tài)。

    (2)計(jì)算結(jié)果及分析

    1)上部倉(cāng)壁的raises應(yīng)力狀態(tài)遠(yuǎn)小于錐形倉(cāng)底板部分。該結(jié)構(gòu)的錐形倉(cāng)底板中部及靠近角部部分應(yīng)力在2.2MPa左右。達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度。這與實(shí)際的裂縫出現(xiàn)位置對(duì)應(yīng)，表明拉應(yīng)力過大是造成錐形倉(cāng)底板內(nèi)壁轉(zhuǎn)角處開裂的直接原因。

    2)以垂直于上部倉(cāng)壁面方向?yàn)?/span>X軸，錐體部分的變形較大區(qū)域在中上部分，但變形較為平緩．并且最大變形僅在0.37mm左右，在錐形倉(cāng)底板的跨中部位。

    2.3設(shè)計(jì)配筋復(fù)核

    由于錐形倉(cāng)底板為滲漏發(fā)生部位，故采用PKPM05的異形板計(jì)算模塊對(duì)錐形倉(cāng)底板進(jìn)行了配筋量復(fù)核，分別考慮了3種不同的邊界條件。該結(jié)構(gòu)錐形倉(cāng)底板部分的配筋量均不足，裂縫寬度超限。

    2.4事故原因分析

    結(jié)合工程檢測(cè)鑒定及有限元計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)于該結(jié)構(gòu)裂縫事故產(chǎn)生原因分析如下：

    (1)設(shè)計(jì)荷載可能有誤：儲(chǔ)液筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)按流體力學(xué)原理計(jì)算荷載，液體對(duì)側(cè)壁壓力至少為干料的2倍。計(jì)算荷載偏小，導(dǎo)致錐形倉(cāng)底板配筋嚴(yán)重不足，由此造成錐形倉(cāng)底板壁承載能力嚴(yán)重不足，從外壁裂縫分布在板的塑性鉸線上即可證明此點(diǎn)。

    (2)結(jié)構(gòu)選型不盡合理：該沉降槽結(jié)構(gòu)形式為矩形筒倉(cāng)，錐形倉(cāng)底板部分平面也為矩形。在設(shè)計(jì)荷載作用下，內(nèi)壁轉(zhuǎn)角處于雙向拉應(yīng)力狀態(tài)。錐形倉(cāng)底板在張力效應(yīng)影響下，處于到拉彎復(fù)合受力狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)均非常容易導(dǎo)致引起開裂。因此，儲(chǔ)液筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)選型宜選用圓形筒倉(cāng)，則具有結(jié)構(gòu)受力明確、計(jì)算與構(gòu)造簡(jiǎn)單、抗裂性能強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。

    (3)結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施缺失：1)筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，角錐形漏斗應(yīng)有吊掛骨架鋼筋，直徑不應(yīng)小于中16，該結(jié)構(gòu)投有相應(yīng)的鋼筋配置。2)原設(shè)計(jì)在沉降槽內(nèi)壁設(shè)置鋼筋混凝土肋，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)。由于沒有加腋，并且在配筋上也沒有得到合理加強(qiáng)，造成角部強(qiáng)度偏小。直接后果是造成內(nèi)角處開裂，并對(duì)中部也有一定影響。

3、加固處理

    3.1加固方案設(shè)計(jì)

    由于該結(jié)構(gòu)配筋與實(shí)際需要的差額較大，抗裂性能也要求較高．經(jīng)綜合考慮決定采用以體外預(yù)應(yīng)力方法為主的綜合加固方案。在原結(jié)構(gòu)的錐形倉(cāng)底部分外套混凝土框架，倉(cāng)底漏斗板壁中加豎向粱，作為水平向預(yù)應(yīng)力筋的轉(zhuǎn)向支點(diǎn)。在后加外套框架中穿束布置預(yù)應(yīng)力筋。豎向配置l6根q)s15.2的鋼絞線．水平方向自上而下配置l0根φsl5.2的鋼絞線。

    3.2結(jié)構(gòu)加固效果計(jì)算分析

    (1)加固筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)有限元分析建模

    采用ANASYs軟件對(duì)加固結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算參數(shù)、荷載及邊界條件同前所示，采用linkl0單元，通過設(shè)定初應(yīng)變的方式模擬預(yù)應(yīng)力作用，計(jì)算考慮了兩種工況：1)加固后結(jié)構(gòu)正常儲(chǔ)液使用狀態(tài)；2)施工過程中預(yù)應(yīng)力張拉過程影響。實(shí)際施工時(shí)先施加豎向預(yù)應(yīng)力，后施加水平方向預(yù)應(yīng)力。豎向預(yù)應(yīng)力分別按80kN、100kN、120kN三級(jí)張拉。水平方向自上而下預(yù)應(yīng)力初始值4根120kN、3根100kN、3根80kN，也按三級(jí)張拉．每級(jí)每根預(yù)應(yīng)力筋張拉20kN。

    (2)加固效應(yīng)計(jì)算結(jié)果分析

    加固后筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)錐形倉(cāng)底板中部及靠近角部部分應(yīng)力均降至20MPa以下。分析認(rèn)為．這是由于在錐形倉(cāng)底板跨中增加的豎向小粱。起到了分割板帶改變邊界條件的作用，使得原結(jié)構(gòu)板承載能力大幅度提高。

4、結(jié)語(yǔ)

    (1)檢測(cè)鑒定及計(jì)算分析的結(jié)果表明，該起滲裂事故的主要原因是原設(shè)計(jì)配筋不能滿足其抗裂和承載力要求。   

    (2)筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)屬于比較復(fù)雜的特種結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計(jì)計(jì)算、構(gòu)造措施等均有專門要求。需要由有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)使用功能進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。

    (3)該筒倉(cāng)經(jīng)加固處理后．結(jié)構(gòu)恢復(fù)使用功能，使用狀態(tài)良好，驗(yàn)證了該工程的加固處理的可靠性。

    (4)通過對(duì)該工程實(shí)行的檢測(cè)鑒定與加固，探索了處理該類事故的有效方法，并為業(yè)主迅速恢復(fù)生產(chǎn)贏得了時(shí)間，避免造成更大的損失。

參考文獻(xiàn)

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)