某原料筒倉框架柱裂縫原因分析

李彥輝 郭治 安國旗 王少軍

(1.河北省建筑工程質量檢測中心有限公司 石家莊050021;2.河北省建筑科學研究院有限公司 石家莊050021;3.秦皇島市建設工程質量監督站 066000)

引言

筒倉作為儲存粒狀或粉狀的散料容器, 在諸多領域都有廣泛的應用, 因其暴露于室外, 受室外環境影響比較顯著。在筒倉的建設和使用過程中, 各種因素作用下, 有部分筒倉的倉壁、筒壁、支承柱出現了裂縫等缺陷。造成筒倉開裂的主要影響因素有承載力不足、不均勻沉降、溫度作用、風荷載等。盧亦焱等[1]對鋼筋混凝土水泥倉進行現場檢測和有限元分析, 研究了鋼筋混凝土結構筒倉的結構損傷狀態, 提出了加固建議。方鴻強等[2]計算了巨型筒倉中溫度應力, 提出了降低筒倉倉壁溫度應力的措施。劉文達等[3]通過現場檢測數據, 分析了筒倉受損中心椎體的病害原因, 并提出了加固設計方案。楊應華[4]等運用ANSYS 程序分析了由日照產生的不均勻溫度作用對鋼筒倉應力的影響。范圣剛[5]等采用有限元方法分析了不均勻沉降對筒倉結構整體受力的影響。任勝謙[6]、樓昕[7]等通過檢測鑒定和有限元計算, 分析了某水泥熟料筒倉在使用過程倉壁開裂、混凝土脫落的原因。曾銀枝[8,9]通過檢測和承載力計算分析了大直徑筒倉和帶隔板鋼筋混凝土筒倉裂縫產生的原因, 認為施工缺陷是裂縫產生的主要原因, 聯體排倉倉壁橫隔板造成承載力低于規范要求, 抗裂性能不能滿足要求。黃康南[10]分析了標準對筒倉裂縫的控制等級, 并分析了裂縫等級控制不嚴格對結構造成的危害。本文中, 某原料筒倉底部框架柱頂部存在水平裂縫, 裂縫的存在, 影響了筒倉的后續正常使用,結合現場檢測鑒定的結果, 通過載荷試驗和計算分析, 對該筒倉底部承重混凝土框架柱頂端裂縫產生的原因進行了分析, 為類似工程提供參考。

1 工程概況

某原料筒倉為一座糧食儲備設施, 分東西兩個倉, 見圖1, 立面及平面見圖2, 筒倉標高8.300m以下為鋼筋混凝土結構、局部筏板基礎、預應力混凝土管樁, 標高8.300m 以上為鋼結構倉壁和倉頂, 貯存物料為玉米, 設計存儲重量約3500t。

圖1 筒倉照片Fig.1 Silo photograph

該筒倉混凝土部分建于2012年7月～2012年11月, 2012年12月開始安裝鋼結構倉壁, 由于天氣原因鋼結構倉壁未安裝完畢就停止施工,2013年4月繼續進行鋼結構倉壁安裝, 安裝完畢后, 尚未投料使用的情況下, 于2013年4月中旬發現筒倉底部承重混凝土框架柱頂端出現不同程度的裂縫, 且東側筒倉裂縫程度較重。

圖2 筒倉平面及立面Fig.2 Elevation and plane of the silo

2 現場檢測

2.1 裂縫檢測

東倉內環框架柱頂部梁柱節點部位, 存在混凝土表層裂縫和表層酥裂現象, 見圖3, 該部位是框架柱頂的施工接縫部位, 表層裂縫和表層酥裂位于施工縫的下方, 裂縫最大寬度約0.2mm～5.0mm。兩個筒倉之間的平臺現澆板底部存在裂縫, 縫寬約0.3mm。

圖3 框架柱頂部混凝土酥裂及開裂Fig.3 Concrete crack at top of frame column

2.2 混凝土強度和鋼筋配置檢測

根據《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T23—2011)[11], 采用回彈法檢測基礎、框架柱、混凝土梁的混凝土強度, 檢測結果見表1。由表1 可以看出構件的混凝土強度能夠滿足設計C30 要求。根據《混凝土中鋼筋檢測技術標準》(JGJ/T152—2019)[12]采用鋼筋測定儀對框架柱、混凝土梁鋼筋配置及保護層厚度進行檢測, 結果表明: 框架柱、混凝土梁鋼筋配置及保護層厚度滿足設計要求。

表1 混凝土強度檢測結果Tab.1 Concrete strength test results

2.3 垂直度檢測

選取3 根框架柱, 采用經緯儀對框架柱垂直度進行檢測, 檢測結果見圖4。依據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》 ( GB50204—2015)[13], 全高垂直度允許偏差為H/1000 且≤30mm(H為建筑物全高), 本工程取8.3mm。框架柱KZ1-6 垂直度偏差不滿足規范規定的最大允許偏差, 其余框架柱垂直度偏差滿足規范要求。

圖4 框架柱垂直度檢測結果Fig.4 Testing results of frame column verticality

3 載荷試驗

3.1 觀測點的設置

對兩個倉進行加載試驗, 僅對東倉進行觀測, 在所有18 根框架柱的側面, 設置18個沉降觀測點。在內環6 根框架柱頂部, 選擇有代表性的裂縫, 設置裂縫寬度檢測點; 在特征點處, 粘貼石膏餅, 觀測裂縫發展變化情況。

3.2 加載方案

使用筒倉配套的物料升降設備, 按照分級原則, 采用物料提升設備自動加載。荷重物為玉米。單個料倉設計容積5000m3, 物料設計重量35000kN。設計要求首次加載物料不超過總重量的60%, 并進行沉降觀測。東、西兩個料倉同時加載物料, 且避免長時間偏載。本次荷載試驗為有限荷載試驗, 加載總量不超過料倉設計總量的20%即7000kN。實際現場加載量為東倉7280kN、西倉6260kN。

3.3 試驗結果

東倉加載后內環框架柱頂裂縫變化情況見圖5、圖6。內環柱沉降觀測結果見圖7。

圖5 加載后裂縫寬度變化Fig.5 Variation of fracture width after loading

圖6 加載后裂縫處石膏餅未變形Fig.6 Gypsum has no deform after loading

圖7 內環柱基礎沉降Fig.7 Settlement of inner-column foundation

由圖5 可以看出, 東倉加載物料達到7280kN時, 內環框架柱頂裂縫寬度無明顯變化, 加載前后框架柱裂縫寬度最大變化量0.1mm。由圖6 可以看出, 經荷載試驗, 粘貼的石膏餅沒有開裂。由圖7可以看出, 各柱沉降基本均勻, 最大值約1.5mm。

4 計算分析

4.1 計算參數

分別采用PKPM 軟件和MIDAS GEN 軟件進行計算, 根據設計圖紙和《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)[14]樓面恒荷載取2.0kN/m2(板自重自動計算), 鋼筒線荷載250.0kN/m。樓面活荷載: 185.0kN/m2(物料總重35000kN)。混凝土強度等級: C30。抗震設防烈度為7 度(0.10g),設計地震分組為第二組, 場地類別為Ⅱ類[15]。

4.2 承載力計算

采用PKPM(PMSAP)對筒倉倉底框架柱承載力進行計算。內框架柱實際配筋與計算所需配筋的比值見表2, 由表2 可知, 內框架柱實際配筋與計算所需配筋的比值均大于1.17, 筒倉倉底框架柱承載力能夠滿足規范要求。

4.3 溫度影響計算分析

采用PKPM(PMSAP)和MIDAS 進行溫度影響計算。

當地有關氣象資料顯示, 2012年12月至2013年4月間, 當地最低溫度為-15.8℃, 最高溫度為25.8℃。溫度計算分析按照混凝土構件頂部及內部向陽面升溫25.8℃和降溫-15.8℃兩種工況進行計算, 計算出的框架柱頂端軸力與恒荷載產生的軸力進行對比, 計算出的彎矩與地震作用產生的彎矩進行對比, 結果見表3 ～表6, 計算結果云圖見圖8 ～圖11。

表3 升溫25.8℃時內環框架柱軸力計算結果Tab.3 Calculation results of inner-frame-column axial force after rising the temperature by 25.8℃

表4 升溫25.8℃時內環框架柱彎矩計算結果Tab.4 Calculation results of inner-frame-column bending moment after rising the temperature by 25.8℃

表5 降溫15.8℃時內環框架柱軸力計算結果Tab.5 Calculation results of inner-frame-column axial force after lower the temperature by 15.8℃

表6 降溫15.8℃時內環框架柱彎矩計算結果Tab.6 Calculation results of inner-frame-column bending moment after lower the temperature by 15.8℃

從表3 ～表6、圖8 ～圖11 可以看出, 無論是升溫還是降溫, 溫度變化在框架柱內產生的內力對結構影響均較大, 甚至超過恒載作用及地震作用下相應的框架柱內力, 溫度作用產生內力的變化足以使結構構件的薄弱部位產生裂縫。

圖8 升溫25.8℃時軸力計算結果(單位: kN)Fig.8 Calculation results of axial force after rising the temperature by 25.8℃(unit: kN)

圖9 升溫25.8℃時彎矩計算結果(單位: kN·m)Fig.9 Calculation results of bending momentafter rising the temperature by 25.8℃(unit: kN·m)

圖10 降溫15.8℃時軸力計算結果(單位: kN)Fig.10 Calculation results of axial force after lower the temperature by 15.8℃(unit: kN)

圖11 降溫15.8℃時彎矩計算結果(單位: kN·m)Fig.11 Calculation results of bending moment after lower the temperature by 15.8℃(unit: kN·m)

4.4 風荷載影響計算分析

當地有關氣象資料顯示, 2012年12月至2013年4月間, 當地最大風速為19.6m/s, 由此計算的風壓為0.24kN/m2。本次計算基本風壓取0.24kN/m2, 采用PKPM 計算風荷載作用下內環框架柱的彎矩, 與地震作用產生的彎矩進行對比, 結果見表7。

表7 風荷載作用下內環框架柱彎矩計算結果Tab.7 Calculation results of inner-frame-column bending moment under wind load

由表7 結果可以看出, 在風荷載作用下內環框架柱頂彎矩較小, 即風荷載作用對內環框架柱頂彎矩影響較小。

5 裂縫原因分析

綜合上述檢測、試驗及計算, 分析裂縫產生原因如下述:

(1)筒倉尚未添加物料就產生了裂縫, 且PKPM 驗算結果表明柱承載力滿足規范要求, 可以排除外加荷載的因素。

(2)有限荷載試驗結果表明, 各框架柱沉降均勻, 且沉降量較小, 也可以排除地基不均勻沉降的因素。

(3)混凝土材料收縮產生的裂縫, 一般均勻分布在所有構件的各個表面, 無明顯方向性。從本項目裂縫形態特性分析, 也可排除材料收縮產生裂縫的因素。

(4)從計算結果可以看出, 風荷載對筒倉受力影響較小。

(5)溫度變化產生溫度應力, 其主要因素有:

①外界大氣溫差: 25.8℃- ( -15.8℃) =41.6℃。混凝土表面溫度差值有可能還要更大。

②筒倉長度較大。該筒倉總長38.19m, 發現裂縫之前, 該建筑物一直處于露天狀態, 超出了《混凝土結構設計規范》 (GB50010—2010)(2015年版)[16]允許值(35m)。

③該筒倉結構受力復雜。該筒倉東西方向為兩個碗狀的混凝土結構物, 頂面非矩形、混凝土頂面不平, 受力分析復雜。另外筒倉為碗狀結構, 表面升溫不均勻。

④施工縫處應力集中。在存在裂縫的框架柱頂部, 恰好為混凝土澆筑的施工縫, 該部位由于混凝土澆筑時形成的結合面為薄弱部位, 而此部位剛好是彎矩最大的部位, 易產生裂縫。

⑤短柱不利, 長柱有利。在溫度應力等水平力作用下, 外環柱高度大, 截面小, 柔性好,而內環柱高度小, 截面大, 柔性差, 在水平力作用下更不利。

PMSAP、MIDAS 計算結果表明, 溫度變化在框架柱內產生的內力對結構影響較大, 甚至超過恒載作用下的框架柱內力, 溫度作用產生內力的變化足以使結構構件的薄弱部位產生裂縫。東倉和西倉之間混凝土平臺板的裂縫, 就是主要由于溫度應力造成的。

6 結論

對某原料筒倉進行了載荷試驗和承載力計算分析, 相關研究結論如下:

1.載荷試驗加載總量不超過料倉設計總量的20%時, 各框架柱沉降量較小, 且沉降基本均勻。

2.筒倉參數滿足設計要求的情況下, 框架柱承載力能夠滿足規范要求。風荷載作用對內環框架柱頂彎矩影響較小, 但風荷載作用對裂縫的產生和發展具有不利影響。溫度變化對該構筑物的內力變化影響較大, 足以使某些構件在薄弱部位產生裂縫。

3.筒倉框架柱產生裂縫的主要原因是由于外界溫度變化使暴露在大氣中的混凝土結構產生了較大的溫度應力, 框架柱產生了較大的軸力和彎矩, 在混凝土施工縫等薄弱部位, 混凝土表層附近局部受壓, 在施工縫的下方混凝土表層產生裂縫。

本文研究方法和研究結果可為類似工程問題的分析處理提供參考。