某沉降槽筒倉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1組的單列鋼筋混凝土簡倉形式的特種結(jié)構(gòu)，用于儲藏液體磷酸原料。單個筒倉形狀上部為方筒，下部為四角錐形，該沉降槽竣工后，初次儲液即發(fā)現(xiàn)錐形倉底板的外壁面、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)主委托進行檢測、鑒定和進行事故原因分析，具體如下：

    2.1現(xiàn)場結(jié)構(gòu)檢測

    經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，原結(jié)構(gòu)設(shè)計混凝土強度等級為C30，實際檢測結(jié)果在25．1 MPa左右。主要構(gòu)件尺寸與布置符合原設(shè)計要求，但在原設(shè)計中，在筒倉內(nèi)壁設(shè)置有鋼筋混凝土肋，現(xiàn)場檢測則未發(fā)現(xiàn)。該2#、5#筒倉外壁裂縫呈“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有限元計算分析

    (1)計算模型與荷載

    選取整體結(jié)構(gòu)的一個筒倉單元作為對象，采用 ANAsYs9.0軟件建模分析�；炷�土選用SOLID45單元模擬．彈性模量3×104N/mm2，泊松比0.167。取標高為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)計儲液重量為3500kN，磷酸密度為l.5g/m，倉壁液體壓應(yīng)力為三角形分布荷載，倉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)計算結(jié)果及分析

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

    2)以垂直于上部倉壁面方向為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，在錐形倉底板的跨中部位。

    2.3設(shè)計配筋復(fù)核

    由于錐形倉底板為滲漏發(fā)生部位，故采用PKPM05的異形板計算模塊對錐形倉底板進行了配筋量復(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)合工程檢測鑒定及有限元計算分析結(jié)果，對于該結(jié)構(gòu)裂縫事故產(chǎn)生原因分析如下：

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

    (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，錐形倉底板部分平面也為矩形。在設(shè)計荷載作用下，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，儲液筒倉結(jié)構(gòu)選型宜選用圓形筒倉，則具有結(jié)構(gòu)受力明確、計算與構(gòu)造簡單、抗裂性能強等顯著優(yōu)點。

    (3)結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施缺失：1)筒倉設(shè)計規(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)計在沉降槽內(nèi)壁設(shè)置鋼筋混凝土肋，現(xiàn)場檢測未發(fā)現(xiàn)。由于沒有加腋，并且在配筋上也沒有得到合理加強，造成角部強度偏小。直接后果是造成內(nèi)角處開裂，并對中部也有一定影響。

3、加固處理

    3.1加固方案設(shè)計

    由于該結(jié)構(gòu)配筋與實際需要的差額較大，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)的錐形倉底部分外套混凝土框架，倉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。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)加固效果計算分析

    (1)加固筒倉結(jié)構(gòu)有限元分析建模

    采用ANASYs軟件對加固結(jié)構(gòu)建模進行計算分析，計算參數(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，計算考慮了兩種工況：1)加固后結(jié)構(gòu)正常儲液使用狀態(tài)；2)施工過程中預(yù)應(yīng)力張拉過程影響。實際施工時先施加豎向預(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，也按三級張拉．每級每根預(yù)應(yīng)力筋張拉20kN。

    (2)加固效應(yīng)計算結(jié)果分析

    加固后筒倉結(jié)構(gòu)錐形倉底板中部及靠近角部部分應(yīng)力均降至20MPa以下。分析認為．這是由于在錐形倉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

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

    (2)筒倉結(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)計計算、構(gòu)造措施等均有專門要求。需要由有經(jīng)驗的專業(yè)設(shè)計人員根據(jù)使用功能進行專門設(shè)計。

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

    (4)通過對該工程實行的檢測鑒定與加固，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)贏得了時間，避免造成更大的損失。

參考文獻

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【3】劉桐，涂永明，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力沉淀池內(nèi)力測試與有限元分析[M]．建筑結(jié)構(gòu)，2003(8)

【4】李樹林，李書祥，任亞平，大型生化池不均勻沉降開裂后系統(tǒng)加固處理方法研究[s]．建筑結(jié)構(gòu)，2006(11)．

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