某原料筒仓框架柱裂缝原因分析

李彦辉 郭治 安国旗 王少军

(1.河北省建筑工程质量检测中心有限公司 石家庄050021;2.河北省建筑科学研究院有限公司 石家庄050021;3.秦皇岛市建设工程质量监督站 066000)

引言

筒仓作为储存粒状或粉状的散料容器, 在诸多领域都有广泛的应用, 因其暴露于室外, 受室外环境影响比较显著。在筒仓的建设和使用过程中, 各种因素作用下, 有部分筒仓的仓壁、筒壁、支承柱出现了裂缝等缺陷。造成筒仓开裂的主要影响因素有承载力不足、不均匀沉降、温度作用、风荷载等。卢亦焱等[1]对钢筋混凝土水泥仓进行现场检测和有限元分析, 研究了钢筋混凝土结构筒仓的结构损伤状态, 提出了加固建议。方鸿强等[2]计算了巨型筒仓中温度应力, 提出了降低筒仓仓壁温度应力的措施。刘文达等[3]通过现场检测数据, 分析了筒仓受损中心椎体的病害原因, 并提出了加固设计方案。杨应华[4]等运用ANSYS 程序分析了由日照产生的不均匀温度作用对钢筒仓应力的影响。范圣刚[5]等采用有限元方法分析了不均匀沉降对筒仓结构整体受力的影响。任胜谦[6]、楼昕[7]等通过检测鉴定和有限元计算, 分析了某水泥熟料筒仓在使用过程仓壁开裂、混凝土脱落的原因。曾银枝[8,9]通过检测和承载力计算分析了大直径筒仓和带隔板钢筋混凝土筒仓裂缝产生的原因, 认为施工缺陷是裂缝产生的主要原因, 联体排仓仓壁横隔板造成承载力低于规范要求, 抗裂性能不能满足要求。黄康南[10]分析了标准对筒仓裂缝的控制等级, 并分析了裂缝等级控制不严格对结构造成的危害。本文中, 某原料筒仓底部框架柱顶部存在水平裂缝, 裂缝的存在, 影响了筒仓的后续正常使用,结合现场检测鉴定的结果, 通过载荷试验和计算分析, 对该筒仓底部承重混凝土框架柱顶端裂缝产生的原因进行了分析, 为类似工程提供参考。

1 工程概况

某原料筒仓为一座粮食储备设施, 分东西两个仓, 见图1, 立面及平面见图2, 筒仓标高8.300m以下为钢筋混凝土结构、局部筏板基础、预应力混凝土管桩, 标高8.300m 以上为钢结构仓壁和仓顶, 贮存物料为玉米, 设计存储重量约3500t。

图1 筒仓照片Fig.1 Silo photograph

该筒仓混凝土部分建于2012年7月～2012年11月, 2012年12月开始安装钢结构仓壁, 由于天气原因钢结构仓壁未安装完毕就停止施工,2013年4月继续进行钢结构仓壁安装, 安装完毕后, 尚未投料使用的情况下, 于2013年4月中旬发现筒仓底部承重混凝土框架柱顶端出现不同程度的裂缝, 且东侧筒仓裂缝程度较重。

图2 筒仓平面及立面Fig.2 Elevation and plane of the silo

2 现场检测

2.1 裂缝检测

东仓内环框架柱顶部梁柱节点部位, 存在混凝土表层裂缝和表层酥裂现象, 见图3, 该部位是框架柱顶的施工接缝部位, 表层裂缝和表层酥裂位于施工缝的下方, 裂缝最大宽度约0.2mm～5.0mm。两个筒仓之间的平台现浇板底部存在裂缝, 缝宽约0.3mm。

图3 框架柱顶部混凝土酥裂及开裂Fig.3 Concrete crack at top of frame column

2.2 混凝土强度和钢筋配置检测

根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23—2011)[11], 采用回弹法检测基础、框架柱、混凝土梁的混凝土强度, 检测结果见表1。由表1 可以看出构件的混凝土强度能够满足设计C30 要求。根据《混凝土中钢筋检测技术标准》(JGJ/T152—2019)[12]采用钢筋测定仪对框架柱、混凝土梁钢筋配置及保护层厚度进行检测, 结果表明: 框架柱、混凝土梁钢筋配置及保护层厚度满足设计要求。

表1 混凝土强度检测结果Tab.1 Concrete strength test results

2.3 垂直度检测

选取3 根框架柱, 采用经纬仪对框架柱垂直度进行检测, 检测结果见图4。依据《混凝土结构工程施工质量验收规范》 ( GB50204—2015)[13], 全高垂直度允许偏差为H/1000 且≤30mm(H为建筑物全高), 本工程取8.3mm。框架柱KZ1-6 垂直度偏差不满足规范规定的最大允许偏差, 其余框架柱垂直度偏差满足规范要求。

图4 框架柱垂直度检测结果Fig.4 Testing results of frame column verticality

3 载荷试验

3.1 观测点的设置

对两个仓进行加载试验, 仅对东仓进行观测, 在所有18 根框架柱的侧面, 设置18个沉降观测点。在内环6 根框架柱顶部, 选择有代表性的裂缝, 设置裂缝宽度检测点; 在特征点处, 粘贴石膏饼, 观测裂缝发展变化情况。

3.2 加载方案

使用筒仓配套的物料升降设备, 按照分级原则, 采用物料提升设备自动加载。荷重物为玉米。单个料仓设计容积5000m3, 物料设计重量35000kN。设计要求首次加载物料不超过总重量的60%, 并进行沉降观测。东、西两个料仓同时加载物料, 且避免长时间偏载。本次荷载试验为有限荷载试验, 加载总量不超过料仓设计总量的20%即7000kN。实际现场加载量为东仓7280kN、西仓6260kN。

3.3 试验结果

东仓加载后内环框架柱顶裂缝变化情况见图5、图6。内环柱沉降观测结果见图7。

图5 加载后裂缝宽度变化Fig.5 Variation of fracture width after loading

图6 加载后裂缝处石膏饼未变形Fig.6 Gypsum has no deform after loading

图7 内环柱基础沉降Fig.7 Settlement of inner-column foundation

由图5 可以看出, 东仓加载物料达到7280kN时, 内环框架柱顶裂缝宽度无明显变化, 加载前后框架柱裂缝宽度最大变化量0.1mm。由图6 可以看出, 经荷载试验, 粘贴的石膏饼没有开裂。由图7可以看出, 各柱沉降基本均匀, 最大值约1.5mm。

4 计算分析

4.1 计算参数

分别采用PKPM 软件和MIDAS GEN 软件进行计算, 根据设计图纸和《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)[14]楼面恒荷载取2.0kN/m2(板自重自动计算), 钢筒线荷载250.0kN/m。楼面活荷载: 185.0kN/m2(物料总重35000kN)。混凝土强度等级: C30。抗震设防烈度为7 度(0.10g),设计地震分组为第二组, 场地类别为Ⅱ类[15]。

4.2 承载力计算

采用PKPM(PMSAP)对筒仓仓底框架柱承载力进行计算。内框架柱实际配筋与计算所需配筋的比值见表2, 由表2 可知, 内框架柱实际配筋与计算所需配筋的比值均大于1.17, 筒仓仓底框架柱承载力能够满足规范要求。

4.3 温度影响计算分析

采用PKPM(PMSAP)和MIDAS 进行温度影响计算。

当地有关气象资料显示, 2012年12月至2013年4月间, 当地最低温度为-15.8℃, 最高温度为25.8℃。温度计算分析按照混凝土构件顶部及内部向阳面升温25.8℃和降温-15.8℃两种工况进行计算, 计算出的框架柱顶端轴力与恒荷载产生的轴力进行对比, 计算出的弯矩与地震作用产生的弯矩进行对比, 结果见表3 ～表6, 计算结果云图见图8 ～图11。

表3 升温25.8℃时内环框架柱轴力计算结果Tab.3 Calculation results of inner-frame-column axial force after rising the temperature by 25.8℃

表4 升温25.8℃时内环框架柱弯矩计算结果Tab.4 Calculation results of inner-frame-column bending moment after rising the temperature by 25.8℃

表5 降温15.8℃时内环框架柱轴力计算结果Tab.5 Calculation results of inner-frame-column axial force after lower the temperature by 15.8℃

表6 降温15.8℃时内环框架柱弯矩计算结果Tab.6 Calculation results of inner-frame-column bending moment after lower the temperature by 15.8℃

从表3 ～表6、图8 ～图11 可以看出, 无论是升温还是降温, 温度变化在框架柱内产生的内力对结构影响均较大, 甚至超过恒载作用及地震作用下相应的框架柱内力, 温度作用产生内力的变化足以使结构构件的薄弱部位产生裂缝。

图8 升温25.8℃时轴力计算结果(单位: kN)Fig.8 Calculation results of axial force after rising the temperature by 25.8℃(unit: kN)

图9 升温25.8℃时弯矩计算结果(单位: kN·m)Fig.9 Calculation results of bending momentafter rising the temperature by 25.8℃(unit: kN·m)

图10 降温15.8℃时轴力计算结果(单位: kN)Fig.10 Calculation results of axial force after lower the temperature by 15.8℃(unit: kN)

图11 降温15.8℃时弯矩计算结果(单位: kN·m)Fig.11 Calculation results of bending moment after lower the temperature by 15.8℃(unit: kN·m)

4.4 风荷载影响计算分析

当地有关气象资料显示, 2012年12月至2013年4月间, 当地最大风速为19.6m/s, 由此计算的风压为0.24kN/m2。本次计算基本风压取0.24kN/m2, 采用PKPM 计算风荷载作用下内环框架柱的弯矩, 与地震作用产生的弯矩进行对比, 结果见表7。

表7 风荷载作用下内环框架柱弯矩计算结果Tab.7 Calculation results of inner-frame-column bending moment under wind load

由表7 结果可以看出, 在风荷载作用下内环框架柱顶弯矩较小, 即风荷载作用对内环框架柱顶弯矩影响较小。

5 裂缝原因分析

综合上述检测、试验及计算, 分析裂缝产生原因如下述:

(1)筒仓尚未添加物料就产生了裂缝, 且PKPM 验算结果表明柱承载力满足规范要求, 可以排除外加荷载的因素。

(2)有限荷载试验结果表明, 各框架柱沉降均匀, 且沉降量较小, 也可以排除地基不均匀沉降的因素。

(3)混凝土材料收缩产生的裂缝, 一般均匀分布在所有构件的各个表面, 无明显方向性。从本项目裂缝形态特性分析, 也可排除材料收缩产生裂缝的因素。

(4)从计算结果可以看出, 风荷载对筒仓受力影响较小。

(5)温度变化产生温度应力, 其主要因素有:

①外界大气温差: 25.8℃- ( -15.8℃) =41.6℃。混凝土表面温度差值有可能还要更大。

②筒仓长度较大。该筒仓总长38.19m, 发现裂缝之前, 该建筑物一直处于露天状态, 超出了《混凝土结构设计规范》 (GB50010—2010)(2015年版)[16]允许值(35m)。

③该筒仓结构受力复杂。该筒仓东西方向为两个碗状的混凝土结构物, 顶面非矩形、混凝土顶面不平, 受力分析复杂。另外筒仓为碗状结构, 表面升温不均匀。

④施工缝处应力集中。在存在裂缝的框架柱顶部, 恰好为混凝土浇筑的施工缝, 该部位由于混凝土浇筑时形成的结合面为薄弱部位, 而此部位刚好是弯矩最大的部位, 易产生裂缝。

⑤短柱不利, 长柱有利。在温度应力等水平力作用下, 外环柱高度大, 截面小, 柔性好,而内环柱高度小, 截面大, 柔性差, 在水平力作用下更不利。

PMSAP、MIDAS 计算结果表明, 温度变化在框架柱内产生的内力对结构影响较大, 甚至超过恒载作用下的框架柱内力, 温度作用产生内力的变化足以使结构构件的薄弱部位产生裂缝。东仓和西仓之间混凝土平台板的裂缝, 就是主要由于温度应力造成的。

6 结论

对某原料筒仓进行了载荷试验和承载力计算分析, 相关研究结论如下:

1.载荷试验加载总量不超过料仓设计总量的20%时, 各框架柱沉降量较小, 且沉降基本均匀。

2.筒仓参数满足设计要求的情况下, 框架柱承载力能够满足规范要求。风荷载作用对内环框架柱顶弯矩影响较小, 但风荷载作用对裂缝的产生和发展具有不利影响。温度变化对该构筑物的内力变化影响较大, 足以使某些构件在薄弱部位产生裂缝。

3.筒仓框架柱产生裂缝的主要原因是由于外界温度变化使暴露在大气中的混凝土结构产生了较大的温度应力, 框架柱产生了较大的轴力和弯矩, 在混凝土施工缝等薄弱部位, 混凝土表层附近局部受压, 在施工缝的下方混凝土表层产生裂缝。

本文研究方法和研究结果可为类似工程问题的分析处理提供参考。