烏江渡發(fā)電廠主變承重倒板梁結(jié)構(gòu)裂縫成因研究與分析

田 雷，劉海力，高峻驍，徐 旭

1.烏江渡發(fā)電廠，貴州 遵義 563112

2.中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014

烏江渡發(fā)電廠經(jīng)過40多年的運行，目前已在一號廠1#～3#主變壓器承重倒板梁結(jié)構(gòu)的油槽底板及倒梁上發(fā)現(xiàn)了不同程度的裂縫。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和結(jié)構(gòu)檢測，共發(fā)現(xiàn)有39條裂縫，裂縫基本分布在變壓器油槽底板上，少量延伸至倒梁底部，其中1#～3#主變油槽底板裂縫分別有11條、6條、15條，梁上裂紋分別有3條、2條、2條。所有裂縫深度均較淺，深度為15～25mm，均在鋼筋保護(hù)層以內(nèi)，僅有#1-2、#1-11、#2-5裂縫的寬度為0.25mm，屬于B類裂縫；其余裂縫寬度均小于0.2mm，屬于A類裂縫。文章根據(jù)裂縫調(diào)查及結(jié)構(gòu)檢測的結(jié)果，研究分析主變承重倒板梁結(jié)構(gòu)裂縫的成因，以確保主變承重倒板梁結(jié)構(gòu)的運行安全。

1 裂縫成因研究與分析

工程中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫形態(tài)各異，產(chǎn)生的原因也錯綜復(fù)雜。根據(jù)裂縫產(chǎn)生的不同原因，工程中將混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分為承載受力裂縫、溫度-收縮裂縫、強迫位移裂縫、結(jié)構(gòu)構(gòu)造裂縫、施工裂縫、裝配裂縫、裝飾性裂縫、耐久性裂縫以及偶然作用裂縫等類型。一號廠1#～3#主變壓器的油槽底板及倒梁結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，綜合上述各類型裂縫產(chǎn)生的原因和工程現(xiàn)場實際情況，文章僅從機組振動影響、結(jié)構(gòu)承載受力、強迫位移、溫度-收縮及耐久性等可能產(chǎn)生裂縫的原因著手，進(jìn)行裂縫成因分析研究。油槽底板及倒梁現(xiàn)場裂縫如圖1所示。

圖1 油槽底板及倒梁裂縫現(xiàn)場

1.1 機組振動影響

為了解機組振動對主變倒板梁結(jié)構(gòu)裂縫的影響，對主機間2#機組樓面、1#主變室樓面和2#主變室樓面分別布置1個測點進(jìn)行振動測試。通過數(shù)據(jù)采集和處理，獲得機組不同啟停組合情況下樓面振動的峰值速度、峰值位移及峰值加速度，如表1所示。振動測試工況分別為2#機組瞬時啟動工況、3臺機組同時運行工況以及2#機組瞬時關(guān)閉工況。其中，2#機組處于瞬時啟動與瞬時關(guān)閉工況時，1#、3#機組均保持正常運行狀態(tài)。

表1 不同工況下樓面測點的速度峰值、加速度峰值及位移峰值情況

由表1可知，由于測點距離機組振源越近，測點的樓板振動越強。3種工況下的樓板振動速度峰值為0.0611cm/s，遠(yuǎn)小于“建筑物基本沒有損壞”時的允許值（0.5cm/s）；樓板振動位移峰值為0.0149mm，遠(yuǎn)小于建筑結(jié)構(gòu)破壞位移標(biāo)準(zhǔn)（0.406mm）；樓板振動加速度最大值為0.0768m/s2，滿足“加速度響應(yīng)不大于0.102g時，結(jié)構(gòu)處于安全范圍”的規(guī)定。綜上所述，機組的振動不會導(dǎo)致主變倒板梁結(jié)構(gòu)樓板發(fā)生破壞開裂。同時，根據(jù)振動測試數(shù)據(jù)計算得到的樓面振動主頻率為4.56Hz，與采用三維有限元模態(tài)分析得到的主變承重倒板梁結(jié)構(gòu)前三階自振頻率不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，前三階自振頻率分別為3.464Hz、7.788Hz及7.83Hz。因此，機組振動的影響不是主變倒板梁結(jié)構(gòu)油槽底板及梁上裂縫產(chǎn)生的原因。

1.2 結(jié)構(gòu)承載受力

結(jié)構(gòu)直接承受荷載作用而產(chǎn)生的裂縫可根據(jù)受力狀態(tài)分為受彎裂縫、受拉裂縫、受壓裂縫、受剪裂縫、受扭裂縫以及局部承壓裂縫。樓板和梁是常見的受彎構(gòu)件，因此通過結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核可判斷油槽底板及倒梁的裂縫是否因配筋及鋼筋強度不足等導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生受彎裂縫。計算分別采用ANSYS三維有限元軟件與PKPM軟件進(jìn)行計算比較，其中有限元計算模型共劃分為203349個節(jié)點、159616個單元，計算模型如圖2所示。主變倒板梁油槽底板及倒梁計算配筋與實際配筋對比如表2所示。

圖2 三維有限元計算模型網(wǎng)格劃分圖

表2 配筋成果對比

由表2可知，油槽底板及倒梁的承載能力滿足設(shè)計要求，裂縫非結(jié)構(gòu)承載力不足而引起。

1.3 強迫位移

強迫位移作用以地基不均勻沉降和地震作用造成的慣性位移為主，結(jié)構(gòu)構(gòu)件各部分強迫位移的差異即造成了構(gòu)件的混凝土約束變形，導(dǎo)致強迫拉應(yīng)變從而產(chǎn)生裂縫。烏江渡發(fā)電廠為壩后式廠房，大壩壩基位于基巖上，地基不均勻沉降的可能性小，同時工程所處地區(qū)基本烈度小于6度，因此強迫位移作用非主變承重倒板梁結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因。

1.4 溫度-收縮

混凝土在凝固過程中不可避免會發(fā)生體積收縮，同時在溫差作用下也會產(chǎn)生體積膨脹與收縮，兩者均會使混凝土處于受約束的狀態(tài)而無法自由伸縮變形，從而產(chǎn)生約束內(nèi)應(yīng)力，最終形成裂縫。烏江渡發(fā)電廠始建于20世紀(jì)70年代，受當(dāng)時技術(shù)管理水平、經(jīng)濟(jì)實力和施工設(shè)備落后等因素的限制，施工過程中的混凝土溫控、振搗、養(yǎng)護(hù)等技術(shù)手段都無法達(dá)到現(xiàn)有施工水平，因此，混凝土的收縮和溫差作用是主變承重倒板梁結(jié)構(gòu)裂縫形成的原因之一。

1.5 結(jié)構(gòu)耐久性

隨著時間的推移，在外部環(huán)境的作用下結(jié)構(gòu)混凝土性能會降低，從而導(dǎo)致耐久性變差，產(chǎn)生裂縫。常見耐久性裂縫為干濕-凍融循環(huán)作用裂縫和鋼筋銹脹裂縫，而烏江渡發(fā)電廠主變承重倒板梁結(jié)構(gòu)混凝土處于室內(nèi)環(huán)境，由于干濕-凍融環(huán)境出現(xiàn)的可能性小，可知干濕-凍融作用不是主變承重倒板梁結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因。主變承重倒板梁結(jié)構(gòu)混凝土齡期長，已遠(yuǎn)超過2000d，因此碳化作用對混凝土的影響較大。經(jīng)檢測，混凝土的平均碳化深度為5mm，均在梁與板的保護(hù)層厚度范圍內(nèi)。同時，外觀調(diào)查以及鋼筋銹蝕程度檢測結(jié)果表明目前混凝土內(nèi)鋼筋基本未銹蝕，產(chǎn)生銹脹裂縫的可能性小，而由目前發(fā)現(xiàn)的裂縫可知，裂縫深度一般為15～25mm，已穿透保護(hù)層，因此不排除局部碳化較深導(dǎo)致鋼筋銹蝕的可能性。

2 結(jié)構(gòu)安全評價

根據(jù)主變承重倒板梁結(jié)構(gòu)檢測的結(jié)果，裂縫及碳化深度均在梁與板的保護(hù)層厚度范圍內(nèi)，混凝土強度平均值為40.68～44.11MPa，檢測結(jié)果滿足規(guī)范和設(shè)計要求。同時，通過三維有限元及PKPM計算得到的倒板梁結(jié)構(gòu)配筋均小于結(jié)構(gòu)的實際配筋，表明結(jié)構(gòu)的承載能力滿足要求，因此結(jié)構(gòu)是安全的。但需對發(fā)現(xiàn)的淺層裂縫進(jìn)行封閉處理，以防止裂縫擴展。

3 結(jié)束語

文章以烏江渡發(fā)電廠主變倒板梁結(jié)構(gòu)為研究對象，進(jìn)行了裂縫調(diào)查和結(jié)構(gòu)檢測，研究了機組振動對主變倒板梁結(jié)構(gòu)的影響，分析了裂縫產(chǎn)生的原因并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的安全性評價，得出了裂縫產(chǎn)生的原因，論證了主變倒板梁結(jié)構(gòu)的承載能力可以滿足設(shè)計要求，為烏江渡水電站的正常運行提供了技術(shù)支撐。