某發電廠汽機房牛腿開裂原因分析及加固處理*

張風亮，田鵬剛，孫 沖，毛冬旭，邊兆偉，贠作義，史繼創，劉歲強

(1.陜西省建筑科學研究院有限公司，陜西 西安 710082；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

1 工程概況

某公司一期2×660MW空冷汽輪發電機房大平臺采用鋼筋混凝土框架+現澆樓板結構體系，大平臺梁通過牛腿支撐于主廠房框架，軸柱上，與柱鉸接連接。該汽機房橫向跨度34m，縱向柱距10m，雙柱插入距1.5m，總長171.5m。汽機房運轉層標高為14.100m，中間層標高為7.100m。汽機房使用環境類別為b類，設計使用年限為50年，結構安全等級為二級。混凝土強度設計等級為C40，縱向梁鋼筋保護層厚度設計值為50(與柱外邊平齊側)，25mm(另一側)，柱、板鋼筋保護層厚度設計值分別為35，15mm。汽機房剖面如圖1所示，平面如圖2所示。

圖1 汽機房剖面

圖2 汽車機房平面

使用過程中，廠房0m處6根立柱、14m處5根立柱的牛腿均出現了不同程度的裂縫，為進一步查找開裂原因，為加固設計提供全面的技術參考依據，對該汽機房立柱牛腿進行全方面檢測鑒定，并對存在的問題提出相應的處理建議。

2 牛腿裂縫分布形態

根據GB 50144—2019《工業建筑可靠性鑒定標準》中第4.1.1條規定，對汽機房立柱牛腿的裂縫形態進行現場檢測，典型裂縫的破壞形態描述如下。

3 立柱及牛腿檢測

3.1 牛腿截面尺寸及保護層厚度檢測

根據GB/T 50344—2019《建筑結構檢測技術標準》及原始設計圖紙，對牛腿截面尺寸及保護層厚度進行檢測，結果如表1所示。

由表1可知，本次檢測的牛腿截面尺寸與原設計基本相符；牛腿端部鋼筋保護層厚度最小值為20mm，最大值為56mm，保護層厚度不均勻，個別牛腿保護層厚度偏大，設計保護層厚度為30mm。

表1 混凝土構件截面尺寸及鋼筋保護層厚度檢測結果

3.2 牛腿鋼筋配置情況檢測

根據《建筑結構檢測技術標準》及原始設計圖紙，現場采用鋼筋探測儀對牛腿外邊緣鋼筋配置情況進行抽樣檢測與復核。現場檢測結果表明，受檢牛腿外邊緣鋼筋配置情況與原設計圖紙基本相符。

3.3 立柱及牛腿混凝土抗壓強度檢測

為全面準確反映受檢汽機房立柱及牛腿實際抗壓強度，依據《建筑結構檢測技術標準》、JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土強度技術規程》，采用回彈法檢測。同時根據需要檢測受檢構件碳化深度，由于受檢構件混凝土服役時間較長，碳化深度測試結果均>6mm。依據GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標準》附錄K，已有結構混凝土回彈齡期修正系數取0.97。經換算，考慮齡期折減后的受檢立柱及牛腿混凝土構件現齡期抗壓強度推定值均>40.0MPa，滿足原設計強度等級(C40)要求。

3.4 牛腿混凝土內部缺陷檢測

當混凝土原材料、配合比、內部質量及測試距離一定時，超聲波在其中傳播速度、首波幅度及接收信號頻率等聲學參數測量值應基本一致。如果結構混凝土局部區域內存在空洞、不密實區等缺陷，所測聲時值將偏大，波幅及頻率值降低。根據聲學參數變化，可判定混凝土內部缺陷情況。依據CECS 21∶2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》，采用超聲對測法檢測，在待測構件的兩相對測試面上分別畫等間距的網格(本次采用100mm×100mm測網)，并編號確定對應的測點位置，按一定順序測取各測點的聲時、幅度及頻率值，并按規程對其進行分析處理。當測區中某些測點的聲速值、波幅值(或頻率值)被判為異常值時，可結合異常測點的分布及波形情況確定混凝土內部存在不密實區或空洞的范圍。為準確找出開裂原因，現場對具備檢測條件的開裂牛腿混凝土進行內部缺陷檢測。經檢測，受檢汽機房立柱牛腿測試部位的混凝土內部密實度較好，不存在不密實區或空洞缺陷區域。

3.5 受檢牛腿裂縫深度檢測

為查找開裂原因，依據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》，現場采用人工鑿開法及儀器檢測法(非金屬超聲波檢測儀)對立柱牛腿代表性裂縫深度進行檢測，結果如下。

2)現場采用ZBL-U510型非金屬超聲波檢測儀對檢測條件較好的1層①/牛腿西側面裂縫處、2層○/牛腿西側面裂縫處、2層○/牛腿正立面裂縫處、2層/牛腿西側面裂縫處、2層/牛腿正立面裂縫處混凝土進行跨縫波速檢測，結果如表2所示。

表2 受檢牛腿裂縫深度檢測結果

檢測結果表明，受檢牛腿側面代表性裂縫推算深度與對應牛腿寬度基本一致，說明受檢牛腿側面的表層裂縫已貫穿；正立面裂縫深度較小，未貫通，綜合裂縫形態、裂縫深度可推斷牛腿裂縫為表層素混凝土開裂。

3.6 汽機房立柱傾斜檢測

為了解汽機房立柱目前狀態下的變形情況，根據構筑物所處環境、現場檢測條件及《工業建筑可靠性鑒定標準》的要求，現場在具備檢測條件的區域，采用經緯儀對立柱傾斜變形進行檢測。經數據分析，目前狀態下，受檢汽機房立柱傾斜變形均未超過《工業建筑可靠性鑒定標準》中第7.3.9條關于廠房柱傾斜達到C級的限值規定要求，說明立柱未發生影響結構安全的傾斜變形。

4 汽機房立柱牛腿承載力驗算

4.1 牛腿構造核查

4.2 牛腿裂縫控制驗算

ND-40085號牛腿Fv=164kN，Fvk=164kN/1.4=117.1kN，為該類牛腿荷載最大值。

4.3 牛腿受壓承載力驗算

4.4 牛腿局部受壓承載力驗算

5 牛腿開裂原因分析

6 加固處理方案

通過上述分析可知，立柱牛腿開裂的主要原因是牛腿與梁之間連接構造不合理，在溫度作用及混凝土收縮變形作用下，牛腿開裂。裂縫雖不影響牛腿承載力，但影響牛腿耐久性，因此，應對牛腿進行加固處理(見圖3)。具體加固處理方案如下。

圖3 牛腿加固示意

1)將牛腿及對應立柱表面裝飾層剔除，混凝土表面出現剝落、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予剔除，對于較大面積的劣質層，剔除后應用聚合物水泥砂漿進行修復；用混凝土角磨機、砂輪(砂紙)等工具，去除混凝土表面浮漿、油污等雜質，打磨平整構件表面混凝土。

2)對牛腿表面裂縫采用壓力灌膠(漿)或嵌縫封閉的方法進行加固。

3)采用[10及對拉螺栓進行加固。

4)用環氧樹脂膠凝材料或灌漿料填實槽鋼與混凝土間隙。

5)將混凝土梁頂升30mm，插筋切斷牛腿頂面。

6)牛腿頂面聚合物砂漿或灌漿料找平，混凝土梁回落。

7 結語

牛腿端面保護層厚度過大、梁板沿縱向的溫度、收縮變形產生的內力向廠房兩端部、變形縫兩側自由端釋放受到約束時，在牛腿內部產生附加應力以及牛腿與梁之間采用插筋構造連接是立柱牛腿發生開裂的主要原因。采用本文提出的加固方案對開裂牛腿進行加固，通過對加固牛腿近1年的觀察，未發現有新裂縫生成，加固效果良好且經濟成本低，說明本次加固方案可在類似工程結構加固領域中推廣應用。