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

南京建研建設工程質量安全鑒定有限公司　江蘇南京210008

江蘇省蘇科建設技術發展有限公司　江蘇南京210008

1、工程概況

    某化工廠建設的磷酸沉降槽工段，為6個1組的單列鋼筋混凝土簡倉形式的特種結構，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，初次儲液即發現錐形倉底板的外壁面、內壁轉角處出現不同程度的裂縫，因液體滲漏嚴重，而被迫停止使用。

2、裂縫事故成因分析

    工程事故發生后，業主委托進行檢測、鑒定和進行事故原因分析，具體如下：

    2.1現場結構檢測

    經現場檢測發現，原結構設計混凝土強度等級為C30，實際檢測結果在25．1 MPa左右。主要構件尺寸與布置符合原設計要求，但在原設計中，在筒倉內壁設置有鋼筋混凝土肋，現場檢測則未發現。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，內壁轉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

    選取整體結構的一個筒倉單元作為對象，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。

    該單元設計儲液重量為3500kN，磷酸密度為l.5g/m，倉壁液體壓應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。

    (2)計算結果及分析

    1)上部倉壁的raises應力狀態遠小于錐形倉底板部分。該結構的錐形倉底板中部及靠近角部部分應力在2.2MPa左右。達到混凝土的抗拉強度。這與實際的裂縫出現位置對應，表明拉應力過大是造成錐形倉底板內壁轉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設計配筋復核

    由于錐形倉底板為滲漏發生部位，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核，分別考慮了3種不同的邊界條件。該結構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

    結合工程檢測鑒定及有限元計算分析結果，對于該結構裂縫事故產生原因分析如下：

    (1)設計荷載可能有誤：儲液筒倉結構的荷載應按流體力學原理計算荷載，液體對側壁壓力至少為干料的2倍。計算荷載偏小，導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)結構選型不盡合理：該沉降槽結構形式為矩形筒倉，錐形倉底板部分平面也為矩形。在設計荷載作用下，內壁轉角處于雙向拉應力狀態。錐形倉底板在張力效應影響下，處于到拉彎復合受力狀態，應力狀態均非常容易導致引起開裂。因此，儲液筒倉結構選型宜選用圓形筒倉，則具有結構受力明確、計算與構造簡單、抗裂性能強等顯著優點。

    (3)結構構造措施缺失：1)筒倉設計規范規定，角錐形漏斗應有吊掛骨架鋼筋，直徑不應小于中16，該結構投有相應的鋼筋配置。2)原設計在沉降槽內壁設置鋼筋混凝土肋，現場檢測未發現。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加固方案設計

    由于該結構配筋與實際需要的差額較大，抗裂性能也要求較高．經綜合考慮決定采用以體外預應力方法為主的綜合加固方案。在原結構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，作為水平向預應力筋的轉向支點。在后加外套框架中穿束布置預應力筋。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結構加固效果計算分析

    (1)加固筒倉結構有限元分析建模

    采用ANASYs軟件對加固結構建模進行計算分析，計算參數、荷載及邊界條件同前所示，采用linkl0單元，通過設定初應變的方式模擬預應力作用，計算考慮了兩種工況：1)加固后結構正常儲液使用狀態；2)施工過程中預應力張拉過程影響。實際施工時先施加豎向預應力，后施加水平方向預應力。豎向預應力分別按80kN、100kN、120kN三級張拉。水平方向自上而下預應力初始值4根120kN、3根100kN、3根80kN，也按三級張拉．每級每根預應力筋張拉20kN。

    (2)加固效應計算結果分析

    加固后筒倉結構錐形倉底板中部及靠近角部部分應力均降至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，使得原結構板承載能力大幅度提高。

4、結語

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

    (2)筒倉結構屬于比較復雜的特種結構，其結構選型、設計計算、構造措施等均有專門要求。需要由有經驗的專業設計人員根據使用功能進行專門設計。

    (3)該筒倉經加固處理后．結構恢復使用功能，使用狀態良好，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，并為業主迅速恢復生產贏得了時間，避免造成更大的損失。

參考文獻

【1】GB50077—2003鋼筋混凝土筒倉設計規范[s]．中國計劃出版社，2003．

【2】GB50367—2006混凝土結構加固設計規范[s]．中國建筑工業出版社，2006

【3】劉桐，涂永明，無粘結預應力沉淀池內力測試與有限元分析[M]．建筑結構，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加固處理方法研究[s]．建筑結構，2006(11)．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)