某大型鋼筋混凝土水泥生料庫倉壁結構安全性分析

谷東昇1 吳玉峰1 袁 洪 2
　　（1.中冶建筑研究總院有限公司華東分院，上海，200433；
　　2.黃石市恒基工程技術有限公司，黃石，435002）
　　摘 要：現場調查發現，目前在役的水泥生料均化庫倉壁開裂現象嚴重，部分倉壁出現了保護層混凝土空鼓、脫落、露筋等現象，個別生料庫甚至出現了整體倒塌的現象。本文通過對某大型水泥生料庫進行現場調研，并結合一系列的有限元計算，對該水泥生料庫倉壁結構裂縫的產生和安全性進行了分析，供同類工程參考。
　　關鍵詞：水泥生料庫開裂 安全性分析

　　1 引言
　　筒倉是貯存松散的粒狀或小塊狀原料（如谷物、面粉、水泥和碎煤等）的立式容器，具有占地面積小、易于機械化和自動化、造價低的特點。現代水泥熟料生產線（新型干法水泥生產線）多采用大型鋼筋混凝土筒倉作為生料均化庫。
　　現場調查發現，目前在役的生料均化庫，或多或少存在開裂缺陷或損壞，個別生料均化庫甚至出現了整體坍塌的現象。
　　本文就某大型水泥生料庫倉壁結構作為典型案例進行分析，為同類結構的發展和應用提供參考。
　　2 工程概況
　　某水泥廠生料均化庫為鋼筋混凝土筒倉結構，由倉上建筑物、倉頂、倉壁、倉底、倉下支承結構及基礎等六部分組成，為圓形深倉。該均化庫內徑為22.5m，倉壁厚度為380mm，倉頂標高為61.8m，倉底標高為14.2m（地面標高為±0）。倉壁內配筋規格HRB335，鋼筋強度設計值fy=300MPa；混凝土強度等級為C30。筒倉所在地為6度抗震設防，貯料最大計算高度為47.6m，倉壁原設計控制裂縫最大寬度0.2mm。該生料均化庫采用滑模工藝施工，環向鋼筋
　　接頭采用綁扎搭接，于2010年3月建成投產。在后期使用過程中，該水泥生料庫倉壁外壁混凝土保護層出現了空鼓、開裂等現象，現場照片見圖1。

　　3 現場調查與檢測
　　現場調查發現，倉壁裂縫主要分布在標高30m~40m范圍內。橫豎向均有裂縫網狀，相比之下，豎向開裂保護層空鼓、脫落等現象，見圖2.
　　為了解倉壁開裂的原因，對倉壁混凝土材料強度和鋼筋布置等進行檢測。現場檢測結果如下：1，根據委托方要求和現場情況取芯檢測共19組，其混凝土強度試壓結果均滿足設計要求。2，根據委托方要求和現場情況回彈檢測共390個測區，其混凝土強度檢測結果均滿足設計要求。3，根據委托方要求和現場情況鋼筋搭接長度探測共39處，檢測結果均滿足設計、施工要求。
　　4 現行規范條件下結構承載力驗算
　　為準確了解倉壁在貯料活荷載作用下水平和豎向應力的分布情況，根據結構竣工圖，使用大型通用有限元計算程序ABAQUS建立倉壁結構模型，進行結構分析驗算。
　　4.1 計算條件
　　倉壁混凝土強度等級為C30，環向鋼筋采用Ф25，豎向鋼筋采用Ф18。依據《鋼筋混凝土筒倉設計規范》GB50077-2003中的規定，對倉壁施加荷載。貯料作用在倉壁結構上的作用力主要有水平壓力Ph和豎向摩擦力Pf，貯料計算高度為47.6m。考慮貯料溫度效應造成的不利影響對于直徑21~30m的筒倉，環境溫度作用按永久荷載計算，按其最大環拉力的6%計算。不考慮筒倉基礎變形，不考慮風荷載和地震作用。
　　4.2計算模型
　　結構模型采用實體單元模擬倉壁，采用離散剛體模擬倉頂板和倉底板，不考慮材料塑性變形，倉壁通過Tie方式與底板和頂板建立約束。倉壁結構三維計算模型見圖3。

　　4.3計算結果
　　倉壁混凝土應力云圖如圖4所示，從ABAQUS計算結果后處理過程中可以得出以下結論：1，倉壁的環向應力靠近倉底處為最大隨著高度的增加，應力逐漸減小。倉壁環向應力最大值為9.3MPa，出現在標高16.2m處2，倉壁的豎向應力在倉底處為最大，隨著高度的增加，應力逐漸減小。倉壁豎向應力最大值為4.8MPa，出現在倉底（標高14.2m）處。
　　對倉壁進行承載力和裂縫控制驗算，驗算結果見表1、2.
　　驗算結果表明：
　　1）設計配筋面積滿足要求；
　　2）原設計裂縫控制等級偏低。倉壁豎向應力較小，配筋為構造配筋，故后續結構分析中，重點以倉壁環向承載力為主。

　　5 倉壁結構熱-力耦合計算
　　常規設計條件下，一般是將溫度作用等效成作用在倉壁的內壓荷載來計算。現根據傳熱學原理，對倉壁結構作進一步的熱-力耦合分析。
　　根據熱工參數（見表3）對倉壁結構進行穩態傳熱計算，得到倉壁內外壁溫度及溫差：內壁溫度為53.6℃，外壁溫度為26.2℃，內外壁溫差為27.4℃。
　　像絕大多數物質一樣，混凝土具有熱脹冷縮的秉性。混凝土的線膨脹系數約為因此，溫度變化就有可能在受到變形約束的超靜定結構內，由于應變差異而引起內應力，進而產生裂縫。
　　通過計算得到的倉壁內外壁溫度，采用ABAQUS提供的順序耦合熱應力分析的辦法對倉壁進行穩態傳熱分析。并將熱傳導分析所得的節點溫度荷載讀入溫度應力分布計算，定義為一個預定義溫度場，進行倉壁結構的溫度熱應力分析。
　　經過有限元計算，得到倉壁結構在溫度作用下的應力云圖如圖5 所示，沿高度方向環向應力見圖6。
　　將貯料水平側壓力和溫度作用引起的熱應力進行耦合計算分析，得到倉壁應力云圖如圖7所示，沿高度方向環向應力見圖8

　　從圖中可以看出，在貯料側壓力-溫度耦合作用下：（1）外壁除了在倉頂和倉底存在變形約束的位置處于受壓狀態外，其余位置均處于受拉狀態，最大拉應力出現在距倉底4~5m處，為12.9MPa。（2）相比外壁而言，內壁所承受的拉應力較小，在倉底和35m以上高度范圍內基本處于受壓的狀態。
　　6. 倉壁開裂原因分析
　　從本質上說，混凝土材料內部的彌散狀裂縫是早已有之，而可見的裂縫則是由下列外部因素引起的：承載受力、混凝土收縮、溫度變化、強迫位移、構造欠妥、施工控制不嚴、耐久性問題、偶然作用等。這些種類繁多的因素，都可能是引起開裂的原因，這就造成了混凝土結構裂縫的多樣性。同時，在實際工程中，幾乎所有的可見裂縫都是由不止一種因素共同作用的結果，這就形成了裂縫成因的綜合性。
　　6.1 貯料溫度效應
　　《鋼筋混凝土筒倉設計規范》（GB50077-2003）4.1.1條中指出：無實踐經驗時，環境溫度作用按永久荷載計算，直徑21~30m的筒倉可按其最大環拉力的6%計算，直徑大于30m的筒倉可按8%計算。同時在對應的條文說明中指出，筒倉的環境溫度作用，包括季節溫差、倉壁內外溫差和日照溫差。在我國煤炭系統建造的筒倉設計中，對溫度作用的計算表明，內外溫差是主要的，不僅分布廣泛而且影響配筋，由于溫度作用的因素和計算比較復雜，對大直徑筒倉，為了簡化計算，本條將溫度作用效應折算為環拉力。對溫差變化較大、工況復雜的筒倉，應根據具體溫度條件和實踐經驗進行驗算。
　　若溫度應力按照最大環拉力的6%進行計算，環向截面上的應力僅為0.56MPa，與實際計算出來的倉壁溫度應力相差甚遠，顯然這樣的規定是不能滿足要求的。
　　基于薄膜理論，倉壁環向截面類似為軸心受拉或小偏心受拉構件。若倉壁內外側溫差過大，將導致內壁受壓，外壁受拉的應力狀態。對于配筋形式為對稱配筋的倉壁來說，內壁環向鋼筋拉應力將滯后于外壁環向鋼筋，從而導致外壁環向筋處于較高的應力水平，引發開裂。
　　6.2 施工階段混凝土離析沉降
　　澆注混凝土拌合物時，如果布料集中堆積而不能均勻擴散，拋落高度過大而未加串筒，一次澆注深度過大，進行過度的強烈振搗，加上混凝土本身保水性差，則澆注后的混凝土質量不均勻，就很容易發生分層、離析、泌水現象。分層、離析使有些區域（下部）的混凝土粗骨料（石子）集中，而另一些區域（上部）漿體過多。因此沉降分層、收縮不均等缺陷就可能在混凝土中引發裂縫。
　　通常，對于豎向構件，沉降裂縫多發生在水平表面鋼筋附近。其原因是混凝土拌合物在澆注振搗后，離析造成泌水、分層，體積穩定性較好的石子多沉降到構件底部，而表面多為含水較多的漿體。再加上泌水在水平鋼筋下形成窩水的疏松層，影響了與鋼筋的握裹，因此鋼筋周邊就比較薄弱。同時考慮到拌合物沉陷受阻于水平鋼筋而產生的受拉應變，往往就在水平鋼筋的下緣產生斷續的水平裂縫。這種裂縫多沿水平分布筋發生，呈水平斷續狀，深度不大，僅發生在混凝土保護層或稍大的范圍內。
　　倉壁結構環形鋼筋配筋量大，一般環向筋直徑為25mm，中下部間距80~100mm，這種裂縫更容易產生。
　　6.3施工階段澆注振搗失當
　　澆注入模的混凝土拌合物必須經過充分振搗，才能密實的填滿模板內腔而形成設計要求的形狀和尺寸。因此振搗不足或振搗過度都能使混凝土不密實、不均勻，產生蜂窩、孔洞、露漿、離析、分層、沉降、接槎不良等缺陷，從而引發各種形式的裂縫。
　　6.4施工階段模板變形引起的裂縫
　　混凝土以拌合物的形式入模振搗，模板體系不但決定了結構構件的尺寸、形狀和外觀質量，在拌合物形成強度之前，還要承載混凝土的重量和施工荷載。若模板體系存在缺陷或施工不當，將在混凝土中引起裂縫。究其原因大體有以下幾類：模板表面質量、模板支撐體系剛度不足、拆模時間過早及拆模方式不當。
　　6.5 鋼筋銹脹裂縫
　　當環境中有腐蝕性介質（酸雨、工業污染物等）以及水時，其可能滲入混凝土表面而到達已經脫鈍而不受保護的鋼筋表面，發生電化學反應，從而銹蝕鋼筋。鋼筋銹蝕以后體積將發生膨脹，往往脹裂混凝土的保護層而形成銹脹裂縫。裂縫形態為沿鋼筋縱向斷續延伸，還常伴有黃褐色的銹漬。嚴重時甚至引起保護層混凝土剝落。
　　6.6 鋼筋搭接裂縫
　　在保證搭接長度的條件下，搭接接頭盡管可以傳遞所需的內力，但由于搭接鋼筋之間的相對滑移，搭接段內兩根鋼筋之間的相對伸長就會比相應整體鋼筋段要大，即搭接接頭的變形大于整筋的變形。
　　由于傳力間斷，相對伸長的變形往往集中在鋼筋端部，從而必然在搭接段兩端形成橫向裂縫，并且這種裂縫往往在荷載卸去后難以完全消失。由于這種非線性塑性變形難以回復，故在較大荷載作用后往往在搭接鋼筋的兩側端頭處留下殘余裂縫。
　　從傳力機理而言，由于鋼筋與混凝土咬合作用的徑向推力，造成了搭接鋼筋之間的分離趨勢，因此搭接鋼筋還會在搭接區域沿重疊部位形成縱向裂縫。其與兩端較粗的橫向裂縫及中間局部的短小橫裂，一起構成了搭接接頭區域的交叉裂縫形態。當多層鋼筋在同一區段內搭接連接時，這些縱橫開裂往往形成網狀裂縫，最終導致保護層混凝土剝落而破壞。
　　7 倉壁結構安全性分析
　　倉壁結構計算分析對貯料溫度效應考慮不足，且現有構造措施無法保證倉壁結構裂縫出現后的可靠工作，是造成倉壁結構安全性低的重要原因。具體如下：
　　7.1貯料溫度效應
　　當倉壁內外側存在較大溫差時，倉壁內側環向筋承受的拉應力較小且滯后于外側環向筋。當采用對稱配筋時，外側環向筋將處于較大應力狀態，從而對倉壁結構裂縫控制方面造成不利影響。
　　當外壁裂縫寬度較大時，勢必會加速鋼筋的銹蝕以及由其引發的銹脹現象，從而引起倉壁結構承載力的削弱，影響結構的安全。
　　7.2 鋼筋搭接錨固問題
　　一般情況下，對混凝土結構來說，正常使用階段中由各種荷載引起的裂縫不會影響到結構的承載力，可以認為是無害裂縫。但是，當產生的裂縫對結構的承載力可能造成不利的影響時，應引起我們的重視。
　　結構中的鋼筋之所以能夠受力，是由于其在混凝土中的粘結錨固作用。鋼筋搭接與錨固問題接近，搭接鋼筋之間的傳力主要依靠鋼筋與混凝土之間的粘結應力來實現。
　　影響搭接接頭強度的因素很多，如混凝土強度，混凝土保護層厚度，搭接長度，鋼筋的直徑和形式，配箍率等。影響倉壁環向鋼筋搭接接頭強度的因素主要有：
　　1）當搭接接頭處的混凝土保護層出現空鼓和脫落時，鋼筋與混凝土之間的握裹力就會受到削弱或者喪失。
　　2）根據鋼筋混凝土基本理論，構件開裂以前截面應力應變都很小，鋼筋與混凝土協同受力。隨著荷載的增加，截面應變不斷增大，由于混凝土極限拉應變很小，當達到開裂荷載時，在抗拉能力最弱處，混凝土因達到極限拉應變而首先出現裂縫。在裂縫出現瞬間，原受拉張緊的混凝土突然斷裂收縮，應變能瞬時釋放，使鋼筋應力應變激增，因而在鋼筋混凝土之間產生有很大應變差，致使裂縫附近一個區段上的粘結作用遭受破壞或完全喪失。
　　3）滑模施工過程中保護層厚度過薄，搭接鋼筋接頭面積百分率過大等。
　　上述因素都會對搭接鋼筋接頭的強度造成不利影響，嚴重時就會引起環向鋼筋失效，導致嚴重后果。
　　8 結論
　　本文通過對一典型的工程案例進行調查檢測，分析了水泥生料均化庫倉壁開裂的原因，并對倉壁結構的安全性進行了探討，為筒倉結構的應用和發展起到了積極的意義。
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