某大型钢筋混凝土水泥生料库仓壁结构安全性分析

谷东昇1 吴玉峰1 袁 洪 2
　　（1.中冶建筑研究总院有限公司华东分院，上海，200433；
　　2.黄石市恒基工程技术有限公司，黄石，435002）
　　摘 要：现场调查发现，目前在役的水泥生料均化库仓壁开裂现象严重，部分仓壁出现了保护层混凝土空鼓、脱落、露筋等现象，个别生料库甚至出现了整体倒塌的现象。本文通过对某大型水泥生料库进行现场调研，并结合一系列的有限元计算，对该水泥生料库仓壁结构裂缝的产生和安全性进行了分析，供同类工程参考。
　　关键词：水泥生料库开裂 安全性分析

　　1 引言
　　筒仓是贮存松散的粒状或小块状原料（如谷物、面粉、水泥和碎煤等）的立式容器，具有占地面积小、易于机械化和自动化、造价低的特点。现代水泥熟料生产线（新型干法水泥生产线）多采用大型钢筋混凝土筒仓作为生料均化库。
　　现场调查发现，目前在役的生料均化库，或多或少存在开裂缺陷或损坏，个别生料均化库甚至出现了整体坍塌的现象。
　　本文就某大型水泥生料库仓壁结构作为典型案例进行分析，为同类结构的发展和应用提供参考。
　　2 工程概况
　　某水泥厂生料均化库为钢筋混凝土筒仓结构，由仓上建筑物、仓顶、仓壁、仓底、仓下支承结构及基础等六部分组成，为圆形深仓。该均化库内径为22.5m，仓壁厚度为380mm，仓顶标高为61.8m，仓底标高为14.2m（地面标高为±0）。仓壁内配筋规格HRB335，钢筋强度设计值fy=300MPa；混凝土强度等级为C30。筒仓所在地为6度抗震设防，贮料最大计算高度为47.6m，仓壁原设计控制裂缝最大宽度0.2mm。该生料均化库采用滑模工艺施工，环向钢筋
　　接头采用绑扎搭接，于2010年3月建成投产。在后期使用过程中，该水泥生料库仓壁外壁混凝土保护层出现了空鼓、开裂等现象，现场照片见图1。

　　3 现场调查与检测
　　现场调查发现，仓壁裂缝主要分布在标高30m~40m范围内。横竖向均有裂缝网状，相比之下，竖向开裂保护层空鼓、脱落等现象，见图2.
　　为了解仓壁开裂的原因，对仓壁混凝土材料强度和钢筋布置等进行检测。现场检测结果如下：1，根据委托方要求和现场情况取芯检测共19组，其混凝土强度试压结果均满足设计要求。2，根据委托方要求和现场情况回弹检测共390个测区，其混凝土强度检测结果均满足设计要求。3，根据委托方要求和现场情况钢筋搭接长度探测共39处，检测结果均满足设计、施工要求。
　　4 现行规范条件下结构承载力验算
　　为准确了解仓壁在贮料活荷载作用下水平和竖向应力的分布情况，根据结构竣工图，使用大型通用有限元计算程序ABAQUS建立仓壁结构模型，进行结构分析验算。
　　4.1 计算条件
　　仓壁混凝土强度等级为C30，环向钢筋采用Ф25，竖向钢筋采用Ф18。依据《钢筋混凝土筒仓设计规范》GB50077-2003中的规定，对仓壁施加荷载。贮料作用在仓壁结构上的作用力主要有水平压力Ph和竖向摩擦力Pf，贮料计算高度为47.6m。考虑贮料温度效应造成的不利影响对于直径21~30m的筒仓，环境温度作用按永久荷载计算，按其最大环拉力的6%计算。不考虑筒仓基础变形，不考虑风荷载和地震作用。
　　4.2计算模型
　　结构模型采用实体单元模拟仓壁，采用离散刚体模拟仓顶板和仓底板，不考虑材料塑性变形，仓壁通过Tie方式与底板和顶板建立约束。仓壁结构三维计算模型见图3。

　　4.3计算结果
　　仓壁混凝土应力云图如图4所示，从ABAQUS计算结果后处理过程中可以得出以下结论：1，仓壁的环向应力靠近仓底处为最大随着高度的增加，应力逐渐减小。仓壁环向应力最大值为9.3MPa，出现在标高16.2m处2，仓壁的竖向应力在仓底处为最大，随着高度的增加，应力逐渐减小。仓壁竖向应力最大值为4.8MPa，出现在仓底（标高14.2m）处。
　　对仓壁进行承载力和裂缝控制验算，验算结果见表1、2.
　　验算结果表明：
　　1）设计配筋面积满足要求；
　　2）原设计裂缝控制等级偏低。仓壁竖向应力较小，配筋为构造配筋，故后续结构分析中，重点以仓壁环向承载力为主。

　　5 仓壁结构热-力耦合计算
　　常规设计条件下，一般是将温度作用等效成作用在仓壁的内压荷载来计算。现根据传热学原理，对仓壁结构作进一步的热-力耦合分析。
　　根据热工参数（见表3）对仓壁结构进行稳态传热计算，得到仓壁内外壁温度及温差：内壁温度为53.6℃，外壁温度为26.2℃，内外壁温差为27.4℃。
　　像绝大多数物质一样，混凝土具有热胀冷缩的秉性。混凝土的线膨胀系数约为因此，温度变化就有可能在受到变形约束的超静定结构内，由于应变差异而引起内应力，进而产生裂缝。
　　通过计算得到的仓壁内外壁温度，采用ABAQUS提供的顺序耦合热应力分析的办法对仓壁进行稳态传热分析。并将热传导分析所得的节点温度荷载读入温度应力分布计算，定义为一个预定义温度场，进行仓壁结构的温度热应力分析。
　　经过有限元计算，得到仓壁结构在温度作用下的应力云图如图5 所示，沿高度方向环向应力见图6。
　　将贮料水平侧压力和温度作用引起的热应力进行耦合计算分析，得到仓壁应力云图如图7所示，沿高度方向环向应力见图8

　　从图中可以看出，在贮料侧压力-温度耦合作用下：（1）外壁除了在仓顶和仓底存在变形约束的位置处于受压状态外，其余位置均处于受拉状态，最大拉应力出现在距仓底4~5m处，为12.9MPa。（2）相比外壁而言，内壁所承受的拉应力较小，在仓底和35m以上高度范围内基本处于受压的状态。
　　6. 仓壁开裂原因分析
　　从本质上说，混凝土材料内部的弥散状裂缝是早已有之，而可见的裂缝则是由下列外部因素引起的：承载受力、混凝土收缩、温度变化、强迫位移、构造欠妥、施工控制不严、耐久性问题、偶然作用等。这些种类繁多的因素，都可能是引起开裂的原因，这就造成了混凝土结构裂缝的多样性。同时，在实际工程中，几乎所有的可见裂缝都是由不止一种因素共同作用的结果，这就形成了裂缝成因的综合性。
　　6.1 贮料温度效应
　　《钢筋混凝土筒仓设计规范》（GB50077-2003）4.1.1条中指出：无实践经验时，环境温度作用按永久荷载计算，直径21~30m的筒仓可按其最大环拉力的6%计算，直径大于30m的筒仓可按8%计算。同时在对应的条文说明中指出，筒仓的环境温度作用，包括季节温差、仓壁内外温差和日照温差。在我国煤炭系统建造的筒仓设计中，对温度作用的计算表明，内外温差是主要的，不仅分布广泛而且影响配筋，由于温度作用的因素和计算比较复杂，对大直径筒仓，为了简化计算，本条将温度作用效应折算为环拉力。对温差变化较大、工况复杂的筒仓，应根据具体温度条件和实践经验进行验算。
　　若温度应力按照最大环拉力的6%进行计算，环向截面上的应力仅为0.56MPa，与实际计算出来的仓壁温度应力相差甚远，显然这样的规定是不能满足要求的。
　　基于薄膜理论，仓壁环向截面类似为轴心受拉或小偏心受拉构件。若仓壁内外侧温差过大，将导致内壁受压，外壁受拉的应力状态。对于配筋形式为对称配筋的仓壁来说，内壁环向钢筋拉应力将滞后于外壁环向钢筋，从而导致外壁环向筋处于较高的应力水平，引发开裂。
　　6.2 施工阶段混凝土离析沉降
　　浇注混凝土拌合物时，如果布料集中堆积而不能均匀扩散，抛落高度过大而未加串筒，一次浇注深度过大，进行过度的强烈振捣，加上混凝土本身保水性差，则浇注后的混凝土质量不均匀，就很容易发生分层、离析、泌水现象。分层、离析使有些区域（下部）的混凝土粗骨料（石子）集中，而另一些区域（上部）浆体过多。因此沉降分层、收缩不均等缺陷就可能在混凝土中引发裂缝。
　　通常，对于竖向构件，沉降裂缝多发生在水平表面钢筋附近。其原因是混凝土拌合物在浇注振捣后，离析造成泌水、分层，体积稳定性较好的石子多沉降到构件底部，而表面多为含水较多的浆体。再加上泌水在水平钢筋下形成窝水的疏松层，影响了与钢筋的握裹，因此钢筋周边就比较薄弱。同时考虑到拌合物沉陷受阻于水平钢筋而产生的受拉应变，往往就在水平钢筋的下缘产生断续的水平裂缝。这种裂缝多沿水平分布筋发生，呈水平断续状，深度不大，仅发生在混凝土保护层或稍大的范围内。
　　仓壁结构环形钢筋配筋量大，一般环向筋直径为25mm，中下部间距80~100mm，这种裂缝更容易产生。
　　6.3施工阶段浇注振捣失当
　　浇注入模的混凝土拌合物必须经过充分振捣，才能密实的填满模板内腔而形成设计要求的形状和尺寸。因此振捣不足或振捣过度都能使混凝土不密实、不均匀，产生蜂窝、孔洞、露浆、离析、分层、沉降、接槎不良等缺陷，从而引发各种形式的裂缝。
　　6.4施工阶段模板变形引起的裂缝
　　混凝土以拌合物的形式入模振捣，模板体系不但决定了结构构件的尺寸、形状和外观质量，在拌合物形成强度之前，还要承载混凝土的重量和施工荷载。若模板体系存在缺陷或施工不当，将在混凝土中引起裂缝。究其原因大体有以下几类：模板表面质量、模板支撑体系刚度不足、拆模时间过早及拆模方式不当。
　　6.5 钢筋锈胀裂缝
　　当环境中有腐蚀性介质（酸雨、工业污染物等）以及水时，其可能渗入混凝土表面而到达已经脱钝而不受保护的钢筋表面，发生电化学反应，从而锈蚀钢筋。钢筋锈蚀以后体积将发生膨胀，往往胀裂混凝土的保护层而形成锈胀裂缝。裂缝形态为沿钢筋纵向断续延伸，还常伴有黄褐色的锈渍。严重时甚至引起保护层混凝土剥落。
　　6.6 钢筋搭接裂缝
　　在保证搭接长度的条件下，搭接接头尽管可以传递所需的内力，但由于搭接钢筋之间的相对滑移，搭接段内两根钢筋之间的相对伸长就会比相应整体钢筋段要大，即搭接接头的变形大于整筋的变形。
　　由于传力间断，相对伸长的变形往往集中在钢筋端部，从而必然在搭接段两端形成横向裂缝，并且这种裂缝往往在荷载卸去后难以完全消失。由于这种非线性塑性变形难以回复，故在较大荷载作用后往往在搭接钢筋的两侧端头处留下残余裂缝。
　　从传力机理而言，由于钢筋与混凝土咬合作用的径向推力，造成了搭接钢筋之间的分离趋势，因此搭接钢筋还会在搭接区域沿重叠部位形成纵向裂缝。其与两端较粗的横向裂缝及中间局部的短小横裂，一起构成了搭接接头区域的交叉裂缝形态。当多层钢筋在同一区段内搭接连接时，这些纵横开裂往往形成网状裂缝，最终导致保护层混凝土剥落而破坏。
　　7 仓壁结构安全性分析
　　仓壁结构计算分析对贮料温度效应考虑不足，且现有构造措施无法保证仓壁结构裂缝出现后的可靠工作，是造成仓壁结构安全性低的重要原因。具体如下：
　　7.1贮料温度效应
　　当仓壁内外侧存在较大温差时，仓壁内侧环向筋承受的拉应力较小且滞后于外侧环向筋。当采用对称配筋时，外侧环向筋将处于较大应力状态，从而对仓壁结构裂缝控制方面造成不利影响。
　　当外壁裂缝宽度较大时，势必会加速钢筋的锈蚀以及由其引发的锈胀现象，从而引起仓壁结构承载力的削弱，影响结构的安全。
　　7.2 钢筋搭接锚固问题
　　一般情况下，对混凝土结构来说，正常使用阶段中由各种荷载引起的裂缝不会影响到结构的承载力，可以认为是无害裂缝。但是，当产生的裂缝对结构的承载力可能造成不利的影响时，应引起我们的重视。
　　结构中的钢筋之所以能够受力，是由于其在混凝土中的粘结锚固作用。钢筋搭接与锚固问题接近，搭接钢筋之间的传力主要依靠钢筋与混凝土之间的粘结应力来实现。
　　影响搭接接头强度的因素很多，如混凝土强度，混凝土保护层厚度，搭接长度，钢筋的直径和形式，配箍率等。影响仓壁环向钢筋搭接接头强度的因素主要有：
　　1）当搭接接头处的混凝土保护层出现空鼓和脱落时，钢筋与混凝土之间的握裹力就会受到削弱或者丧失。
　　2）根据钢筋混凝土基本理论，构件开裂以前截面应力应变都很小，钢筋与混凝土协同受力。随着荷载的增加，截面应变不断增大，由于混凝土极限拉应变很小，当达到开裂荷载时，在抗拉能力最弱处，混凝土因达到极限拉应变而首先出现裂缝。在裂缝出现瞬间，原受拉张紧的混凝土突然断裂收缩，应变能瞬时释放，使钢筋应力应变激增，因而在钢筋混凝土之间产生有很大应变差，致使裂缝附近一个区段上的粘结作用遭受破坏或完全丧失。
　　3）滑模施工过程中保护层厚度过薄，搭接钢筋接头面积百分率过大等。
　　上述因素都会对搭接钢筋接头的强度造成不利影响，严重时就会引起环向钢筋失效，导致严重后果。
　　8 结论
　　本文通过对一典型的工程案例进行调查检测，分析了水泥生料均化库仓壁开裂的原因，并对仓壁结构的安全性进行了探讨，为筒仓结构的应用和发展起到了积极的意义。
　　参考文献
　　[1] GB50077-2003，钢筋混凝土筒仓设计规范[S].
　　[2] GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].
　　[3] 曾银枝,潘立.大直径钢筋混凝土水泥筒仓裂缝成因分析.建筑科学1002-8528（2010）11-0070-05.
　　[4] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS 有限元分析实例详解.机械工业出版社.
　　[5] 邢立新.大型水泥熟料筒仓结构工作应力试验.合肥工业大学.
　　郑州赛诺建材有限公司是由具有丰富大型跨国公司工程服务背景的技术团队创建,是近年来建材领域迅速崛起的一支新军。自成立之日起就一直致力于研发高端工程材料，提供混凝土、砖石结构建筑物的防火、保温、隔热、防水、防腐、渗水、渗漏检测、加固及工业地坪的咨询、施工、维护等一体化服务，以其较高的性价比，创造性地解决了很多工程难题，受到工程界的普遍欢迎和好评。
　　郑州赛诺建材公司开发的背水一喷灵特种浆料，因其很高的粘结强度，抗渗性及高强度，高密度，特别适合地下工程渗漏的治理，无需把回填土挖开，只需在内部简单喷涂一下，即可消除渗漏，大大提高的渗漏治理的效率，提高的速度，降低了维护成本，尤其适合地下砖墙渗漏的治理.
　　郑州赛诺建材公司引入现代设计方法中的冗余设计理念，向最好处努力，向最坏处着想，针对目前，渗漏多发的现象，开发的MD改性聚合物防水涂料，具有一次施工，同时实现刚柔二重防水的特点，没有搭接缝，耐长期水泡，即使柔性防水层被破坏，也不会漏水，更不会窜水，具有裂纹的自动修复功能，大大降低了渗漏的发生的概率；即使混凝土基面被严重深度破坏，造成渗漏，但因为不会窜水，维修也很简单易行。避免防水系统整体崩溃的现象的发生。该产品尤其适合新建工程防水施工，大大提高防水的可靠性和安全性，防微杜渐，在项目初期，防漏于为然，是打造高品质的无渗漏工程理想选择。
　　郑州赛诺建材有限公司，工程水密封技术20年，技术的可靠性和耐久性得到了全国各地项目和时间的验证。电话：400-0371-713www.sainuogroup.com