某发电厂汽机房牛腿开裂原因分析及加固处理*

张风亮，田鹏刚，孙 冲，毛冬旭，边兆伟，贠作义，史继创，刘岁强

(1.陕西省建筑科学研究院有限公司，陕西 西安 710082；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054)

1 工程概况

某公司一期2×660MW空冷汽轮发电机房大平台采用钢筋混凝土框架+现浇楼板结构体系，大平台梁通过牛腿支撑于主厂房框架，轴柱上，与柱铰接连接。该汽机房横向跨度34m，纵向柱距10m，双柱插入距1.5m，总长171.5m。汽机房运转层标高为14.100m，中间层标高为7.100m。汽机房使用环境类别为b类，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。混凝土强度设计等级为C40，纵向梁钢筋保护层厚度设计值为50(与柱外边平齐侧)，25mm(另一侧)，柱、板钢筋保护层厚度设计值分别为35，15mm。汽机房剖面如图1所示，平面如图2所示。

图1 汽机房剖面

图2 汽车机房平面

使用过程中，厂房0m处6根立柱、14m处5根立柱的牛腿均出现了不同程度的裂缝，为进一步查找开裂原因，为加固设计提供全面的技术参考依据，对该汽机房立柱牛腿进行全方面检测鉴定，并对存在的问题提出相应的处理建议。

2 牛腿裂缝分布形态

根据GB 50144—2019《工业建筑可靠性鉴定标准》中第4.1.1条规定，对汽机房立柱牛腿的裂缝形态进行现场检测，典型裂缝的破坏形态描述如下。

3 立柱及牛腿检测

3.1 牛腿截面尺寸及保护层厚度检测

根据GB/T 50344—2019《建筑结构检测技术标准》及原始设计图纸，对牛腿截面尺寸及保护层厚度进行检测，结果如表1所示。

由表1可知，本次检测的牛腿截面尺寸与原设计基本相符；牛腿端部钢筋保护层厚度最小值为20mm，最大值为56mm，保护层厚度不均匀，个别牛腿保护层厚度偏大，设计保护层厚度为30mm。

表1 混凝土构件截面尺寸及钢筋保护层厚度检测结果

3.2 牛腿钢筋配置情况检测

根据《建筑结构检测技术标准》及原始设计图纸，现场采用钢筋探测仪对牛腿外边缘钢筋配置情况进行抽样检测与复核。现场检测结果表明，受检牛腿外边缘钢筋配置情况与原设计图纸基本相符。

3.3 立柱及牛腿混凝土抗压强度检测

为全面准确反映受检汽机房立柱及牛腿实际抗压强度，依据《建筑结构检测技术标准》、JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土强度技术规程》，采用回弹法检测。同时根据需要检测受检构件碳化深度，由于受检构件混凝土服役时间较长，碳化深度测试结果均>6mm。依据GB 50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》附录K，已有结构混凝土回弹龄期修正系数取0.97。经换算，考虑龄期折减后的受检立柱及牛腿混凝土构件现龄期抗压强度推定值均>40.0MPa，满足原设计强度等级(C40)要求。

3.4 牛腿混凝土内部缺陷检测

当混凝土原材料、配合比、内部质量及测试距离一定时，超声波在其中传播速度、首波幅度及接收信号频率等声学参数测量值应基本一致。如果结构混凝土局部区域内存在空洞、不密实区等缺陷，所测声时值将偏大，波幅及频率值降低。根据声学参数变化，可判定混凝土内部缺陷情况。依据CECS 21∶2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，采用超声对测法检测，在待测构件的两相对测试面上分别画等间距的网格(本次采用100mm×100mm测网)，并编号确定对应的测点位置，按一定顺序测取各测点的声时、幅度及频率值，并按规程对其进行分析处理。当测区中某些测点的声速值、波幅值(或频率值)被判为异常值时，可结合异常测点的分布及波形情况确定混凝土内部存在不密实区或空洞的范围。为准确找出开裂原因，现场对具备检测条件的开裂牛腿混凝土进行内部缺陷检测。经检测，受检汽机房立柱牛腿测试部位的混凝土内部密实度较好，不存在不密实区或空洞缺陷区域。

3.5 受检牛腿裂缝深度检测

为查找开裂原因，依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，现场采用人工凿开法及仪器检测法(非金属超声波检测仪)对立柱牛腿代表性裂缝深度进行检测，结果如下。

2)现场采用ZBL-U510型非金属超声波检测仪对检测条件较好的1层①/牛腿西侧面裂缝处、2层○/牛腿西侧面裂缝处、2层○/牛腿正立面裂缝处、2层/牛腿西侧面裂缝处、2层/牛腿正立面裂缝处混凝土进行跨缝波速检测，结果如表2所示。

表2 受检牛腿裂缝深度检测结果

检测结果表明，受检牛腿侧面代表性裂缝推算深度与对应牛腿宽度基本一致，说明受检牛腿侧面的表层裂缝已贯穿；正立面裂缝深度较小，未贯通，综合裂缝形态、裂缝深度可推断牛腿裂缝为表层素混凝土开裂。

3.6 汽机房立柱倾斜检测

为了解汽机房立柱目前状态下的变形情况，根据构筑物所处环境、现场检测条件及《工业建筑可靠性鉴定标准》的要求，现场在具备检测条件的区域，采用经纬仪对立柱倾斜变形进行检测。经数据分析，目前状态下，受检汽机房立柱倾斜变形均未超过《工业建筑可靠性鉴定标准》中第7.3.9条关于厂房柱倾斜达到C级的限值规定要求，说明立柱未发生影响结构安全的倾斜变形。

4 汽机房立柱牛腿承载力验算

4.1 牛腿构造核查

4.2 牛腿裂缝控制验算

ND-40085号牛腿Fv=164kN，Fvk=164kN/1.4=117.1kN，为该类牛腿荷载最大值。

4.3 牛腿受压承载力验算

4.4 牛腿局部受压承载力验算

5 牛腿开裂原因分析

6 加固处理方案

通过上述分析可知，立柱牛腿开裂的主要原因是牛腿与梁之间连接构造不合理，在温度作用及混凝土收缩变形作用下，牛腿开裂。裂缝虽不影响牛腿承载力，但影响牛腿耐久性，因此，应对牛腿进行加固处理(见图3)。具体加固处理方案如下。

图3 牛腿加固示意

1)将牛腿及对应立柱表面装饰层剔除，混凝土表面出现剥落、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予剔除，对于较大面积的劣质层，剔除后应用聚合物水泥砂浆进行修复；用混凝土角磨机、砂轮(砂纸)等工具，去除混凝土表面浮浆、油污等杂质，打磨平整构件表面混凝土。

2)对牛腿表面裂缝采用压力灌胶(浆)或嵌缝封闭的方法进行加固。

3)采用[10及对拉螺栓进行加固。

4)用环氧树脂胶凝材料或灌浆料填实槽钢与混凝土间隙。

5)将混凝土梁顶升30mm，插筋切断牛腿顶面。

6)牛腿顶面聚合物砂浆或灌浆料找平，混凝土梁回落。

7 结语

牛腿端面保护层厚度过大、梁板沿纵向的温度、收缩变形产生的内力向厂房两端部、变形缝两侧自由端释放受到约束时，在牛腿内部产生附加应力以及牛腿与梁之间采用插筋构造连接是立柱牛腿发生开裂的主要原因。采用本文提出的加固方案对开裂牛腿进行加固，通过对加固牛腿近1年的观察，未发现有新裂缝生成，加固效果良好且经济成本低，说明本次加固方案可在类似工程结构加固领域中推广应用。