受損混凝土連體筒倉結構加固技術

馮良慈 李占廣 周先財

江蘇新筑預應力工程有限公司 江蘇 南京 211899

我國早期應用于水泥生產(chǎn)線上的儲料倉受施工、生產(chǎn)技術所限，大多采用直徑為12～18 m、高度為30～50 m的小直徑筒倉。由于儲料量較小，因此一條生產(chǎn)線要配備多個儲料倉，為了節(jié)約寶貴的土地資源，在滿足水泥生產(chǎn)工藝的前提條件下，許多工程采用了鋼筋混凝土連體筒倉。

水泥生產(chǎn)線中的鋼筋混凝土筒倉由于長期在裝料、卸料往復荷載作用下，使用數(shù)年后容易導致混凝土倉壁產(chǎn)生大量裂縫及混凝土剝落情況，從而影響筒倉結構耐久性及使用安全，嚴重時可導致筒倉倒塌。為了消除隱患，應對出現(xiàn)裂縫的筒倉壁進行加固處理。目前，對單體筒倉的加固方法已經(jīng)相當成熟，常采用擴大截面加固法、粘貼鋼板加固法、體外預應力加固法等。但連體筒倉由于倉壁兩兩相連，因此與單體筒倉加固相比，如何將大量后增加的環(huán)向受力鋼筋穿過倉壁連體部位，同時最大程度減小因加固開孔對筒倉連接部位的損害，成為連體筒倉加固的難題。目前，對于類似的受損連體筒倉[1-2]，常規(guī)的做法僅對裂縫或受損混凝土部位進行修復、處理，經(jīng)過數(shù)年使用后，又在混凝土的其他薄弱部位出現(xiàn)受損情況，治標不治本。而采用體外預應力加固技術難度較大，技術要求較高，國內鮮有相關的成功案例。

1 工程概況

江蘇某水泥集團有限公司2 500 t/d熟料水泥生產(chǎn)線于2004年建成投產(chǎn)。其中的水泥儲存1#～8#庫為2組4連鋼筋混凝土筒倉結構，庫內徑15 m，高34 m，壁厚250 mm，混凝土強度等級C30（圖1、圖2）。使用10多年后，發(fā)現(xiàn)倉壁多處出現(xiàn)裂縫及混凝土損傷情況。

圖1 四連體筒倉俯視

圖2 四連體筒倉立面示意

2 倉壁結構檢測及受損原因分析

2.1 受損倉壁結構檢測

為準確客觀地判斷混凝土筒倉的安全狀況，為后期加固處理提供設計依據(jù)，首先由專業(yè)的機構對倉壁結構進行檢測。檢測主要包括：采用回彈法檢測混凝土的強度，采用鋼筋探測儀對庫壁外層鋼筋間距及保護層厚度進行檢測。結果如下：

1）倉壁混凝土強度檢測值≥30 MPa。

2）倉壁鋼筋間距檢測值：設計間距200 mm，實測間距165 mm；設計間距120 mm，實測間距152～158 mm；設計間距110 mm，實測間距130～138 mm。

2.2 倉壁受損原因分析

檢測結果顯示，倉壁混凝土強度滿足原設計要求，鋼筋間距不滿足原設計要求。經(jīng)過綜合分析，正是由于鋼筋實際間距大于設計間距，同時水泥生產(chǎn)線中使用的鋼筋混凝土筒倉長期處在裝料、卸料往復荷載的作用下，導致局部存在初始缺陷的部位首先產(chǎn)生裂縫或保護層脫落、露筋現(xiàn)象，采用搭接接頭的環(huán)向受力鋼筋逐步失去混凝土的握裹而失效，從而導致倉壁更多部位出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫，混凝土保護層出現(xiàn)空鼓、脫落及局部露筋現(xiàn)象。若不果斷采取有效措施處理，缺陷勢必不斷擴大，產(chǎn)生類似多米諾效應，最終可能導致結構失效而造成水泥倉倒塌的嚴重事故。

3 受損連體筒倉倉壁加固方案的選擇

借鑒單體筒倉成功的加固修復案例，可供本項目受損四連體筒倉選擇的加固方法主要有3種，分別論證如下。

方法1：在筒倉外壁使用擴大截面法。此種方法是單體受損筒倉常用的加固手段，具有造價低、方法簡單、效果明顯的特點。但是連體筒倉與單體筒倉顯著不同的特點在于連體筒倉的倉壁是互相連接的整體，難以將后增加的環(huán)向鋼筋穿過連體部位（如圖3方框內的部分），即使能將所有的環(huán)向鋼筋穿過連體部分，那大量的孔洞也會使連體部位混凝土嚴重受損，因此在倉壁體外增加普通鋼筋混凝土套的方法不可行。

圖3 擴大截面加固方案示意

方法2：通過在筒倉內側粘貼鋼板或擴大截面。此種方法首先受限于倉壁內狹小的操作空間，同時還要清理倉壁并移除倉頂設備及筒倉頂板，施工難度極大，施工周期長，同時整條水泥生產(chǎn)線必須長期停產(chǎn)，業(yè)主無法接受。

方法3：采用體外預應力法。對結構施加適當?shù)念A應力是一種高效的加固手段，也常被應用于單體倉的加固工程中，但其要求的專業(yè)性相對較強。針對本工程連體倉的特點，預應力筋如何穿過倉體的連體部位形成閉環(huán)同樣是個難點。但考慮到采用體外預應力加固后，穿過連體部位的預應力筋量大幅減少，并且預應力筋可以集束布置，難度和工程量也大大降低。因此，該項目最終決定采用體外預應力加固技術對筒倉壁進行加固補強。

4 倉壁體外預應力加固設計

4.1 體外預應力加固錨固體系的選擇

體外加固預應力錨固體系的選擇需考慮以下問題：

1）連體倉體外預應力加固的難點是將預應力筋穿過筒倉連接部位形成閉環(huán)，需盡量減少開孔數(shù)量，降低難度。

2）張拉時預應力筋會與倉壁產(chǎn)生較大的摩擦力，需要減小摩擦力，有效提高預應力。

3）體外預應力筋加固后長期暴露在空氣中，除了無黏結外包塑料和油脂防腐外，還應增加一定的防腐措施，以提高結構的耐久性。

因此本工程經(jīng)過比選，預應力筋采用了φ21.6 mm大直徑環(huán)氧涂層鋼絞線，其公稱面積是常規(guī)φ15.2 mm鋼絞線的2倍，從而使得開孔量減少1倍，并外加了無黏結塑料護套及油脂，錨固體系配套使用QM22-2型夾片式錨具及200 mm×200 mm×45 mm鋼墊板。

4.2 預應力筋布置方案

預應力筋環(huán)繞庫壁外側，由包角270°和90°的兩段搭接成一環(huán)，分別錨固于連體部位的兩端（圖4）。人孔洞口位置的預應力筋分散到洞口上下兩側布置。

圖4 預應力筋平面布置示意

4.3 體外預應力加固設計計算

首先依據(jù)GB 50077—2017《鋼筋混凝土筒倉設計標準》中的相應公式計算出貯料壓力，并依據(jù)貯料壓力計算出環(huán)向拉力，最后通過驗算承載能力和裂縫，計算出所需的預應力筋間距（計算過程略）。

由于貯料壓力由下往上逐漸減小，因此預應力筋的間距也自下而上逐漸加大。為方便施工，設計時分段對預應力筋的間距進行了歸并計算，具體為：標高＋6.40～＋11.90 m，間距360 mm；標高＋11.90～＋17.40 m，間距400 mm；標高＋17.40～＋22.90 m，間距480 mm；標高＋22.90～＋28.40 m，間距700 mm；標高＋28.40～＋31.50 m，間距1 000 mm。另外，標高＋31.49～＋34.00 m范圍內為頂部環(huán)梁，無明顯破壞，經(jīng)檢測鑒定不需要加固。

5 倉壁體外預應力加固施工

5.1 體外預應力加固前的準備

對筒倉進行體外預應力加固前，首先應依據(jù)設計圖紙及設計要求繪制預應力筋立面展開圖，對人孔洞口合理避讓，并將洞口范圍內的預應力筋均分布置于洞口上下。

倉壁裂縫進行灌注結構膠的加固處理，清理保護層剝落的缺陷混凝土并用高強灌漿料對破損孔洞封閉補強。

5.2 體外預應力加固施工

連體筒倉體外預應力加固施工的關鍵是預應力筋能否順利穿過筒倉連接部位并對倉壁施加上有效預應力。

5.2.1 采用主、副孔解決連體部位預應力孔道的成孔難題

本項目四連體筒倉連接部位達4.5 m，為使預應力筋能順利穿過連接體并緊貼倉壁，需在連接體部位沿著各自倉壁切線開孔，這樣開孔數(shù)量較多，對連接體的混凝土損傷較大。后經(jīng)試驗，決定采用預應力主、副孔方案。施工時，先在連接部位正中間采用配備特制鉆頭的取芯機鉆出一個長4.5 m的大直徑主孔，然后在主孔左右沿著兩側倉壁切線分別鉆出小直徑斜向輔助孔與主孔正中貫通，最后通過兩頭的斜向輔助孔及主孔完成預應力筋的穿束（圖5）。

圖5 倉壁連接處開孔

5.2.2 利用導向繩完成預應力筋穿束

由于預應力孔道為折線且兩側預應力筋共用一個主孔，因此在預應力筋穿束前應預先布置導向繩，預應力筋在導向繩的牽引下順利穿過各自副孔，導向繩可避免出現(xiàn)穿錯副孔情況，并大大提高穿束準確性，降低穿束難度。

5.2.3 穿束后采取臨時固定措施，減小預應力筋張拉損傷及安全隱患

為了在張拉前臨時擱置體外預應力束，在預應力筋穿束前應在倉壁上每隔2～3 m釘上水泥釘，預應力筋穿束后與水泥釘臨時綁扎固定，水泥釘待預應力筋張拉后清除。同一排水泥釘應在同一個標高上，從而保證預應力筋張拉前的平順，同時避免預應力筋張拉時較大的錯動對預應力筋和倉壁產(chǎn)生的損傷。

5.2.4 利用連接體部位設置張拉端

張拉端的設置可以在倉壁合適部位重新澆筑混凝土壁柱予以解決，這樣的好處是各段預應力筋的長度可以大致相等，利于設計配筋。但是新增張拉壁柱需要沿倉壁支模、澆混凝土，工期較長，且影響倉壁美觀。后經(jīng)過現(xiàn)場測量并經(jīng)過計算，決定將張拉端設置于倉體連接部位，這樣可以大大減小施工難度，同時經(jīng)過適當處理，基本不影響筒倉原有外觀。張拉端留設示意見圖6。

圖6 倉壁連接處張拉端留設示意

5.2.5 體外預應力筋張拉及防腐處理

1）張拉端防腐處理：采用高強灌漿料封閉主孔和輔助孔，并對外露的錨具、錨墊板進行封閉處理。

2）體外預應力筋防腐處理：采用防腐涂料對整個筒倉外壁及體外預應力筋進行噴涂處理。

圖7為體外預應力加固后整修一新且正在使用中的四連體水泥筒倉。

圖7 加固后的四連體水泥筒倉

6 結語

1）體外預應力技術用于連體筒倉加固，現(xiàn)場幾乎沒有濕作業(yè)，對原結構的影響也較小，在加固期間，水泥生產(chǎn)線仍在維持生產(chǎn)，只是對正在加固的筒倉適當降低了庫容。在以后的工程應用中，若能對倉壁結構進行更為詳盡的檢測、鑒定，精確計算出安全庫容，則體外預應力加固施工對水泥生產(chǎn)的影響會更小，也更科學。

2）采用更佳的成孔方法，提高成孔速度和質量，簡化施工腳手架，預應力筋采用機械穿束等都可縮短施工工期，提升經(jīng)濟效益。

3）受損連體筒倉倉壁的加固應依據(jù)檢測鑒定報告及實際使用情況具體分析，采取適宜的加固方法。