某钢筋混凝土筒仓受损分析及合理加固设计方案研究

1　工程概况

某公司钢筋混凝土粗矿仓于2004年10月投入生产，2007年10月通过应急管理部的安全验收。仓体内径24m，仓壁厚60cm，地面以下深6.35m，地面以上高29.7m，现浇钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C40，属于大型钢筋混凝土圆形深仓。仓壁内衬为24kg/m的轻轨，横向@40cm。由于仓壁内侧长期受大块矿石（不大于50cm）冲击，2020年6月发现轻轨内衬部分脱落，内壁混凝土局部剥离受损，最薄处仅19cm，部分钢筋外露并散挂在仓壁内侧。仓壁标高为10.000~26.000m，分布有竖向及水平裂缝（缝宽1~3.5mm），其中标高16.300m、18.000m、 20.000m处有3道环向裂缝，仓体西北面内壁受损严重，局部仓壁开裂，有贯穿裂缝。仓壁裂缝现状如图1所示。

   

图1　仓壁裂缝现状

2　某设计院加固方案

对于受损原因，某设计加固方案认为：

（1）原衬轨间距较大，导致矿石下落过程中直接砸在衬轨之间的仓壁上；

（2）落料角度过大，大幅增加矿石下落过程中直接冲击仓壁的概率。

考虑到公司停产大修工期仅为1个月，采用内修补外加固的加固方案：

（1）内壁采用C60高强灌浆料修补；

（2）恢复并加密轻轨内衬，将间距由40cm改为20cm；

（3）外侧标高为9.000~27.000m，新增50cm厚的钢筋混凝土筒仓壁，标高–6.350~9.000m加壁柱共12根，上部支撑新增筒仓壁，下部支撑于–6.35m处桩承台。新增筒仓壁混凝土C45，配水平环筋220@150；竖向纵筋225@150。新老混凝土连接采用植短钢筋（12@600×600）；

（4）上部结构加固后，原设计桩基承载力满足要求，桩基础无需加固处理。

3　受损原因分析

对于中心卸料的筒仓而言，正常情况下，筒仓底部一个或多个卸料口大小一致，沿筒仓中心均匀对称布置，出料时筒仓上部的矿石形成漏斗状，进料口垂落的矿石进入漏斗，不会对筒仓壁产生冲击，如图2所示。

   

图2　正常卸料状况示意

当其中某个出料口不畅、关闭或使用不当时，在偏心出料的情况下，矿仓上部的矿石形成斜坡面，并坡向畅通的出料口一侧，进料口矿石就会沿斜坡滚落，并冲击一侧的仓壁。另一种情况，因工艺要求，为偏心卸料口，也会造成上述情况，如图3所示。

   

图3　偏心卸料状况示意

对于深仓来说，在卸料过程中，矿石对仓壁产生的摩擦力长期作用也会对仓壁内侧混凝土产生损害。

综上所述，该粗矿仓内壁受损的真实原因是偏心卸料导致矿石对仓壁产生冲击力，加上矿石对仓壁的摩擦力，两者长期作用，造成该粗矿仓西北部位内壁严重受损，轻轨内衬几乎全部脱落，水平环筋折断，竖向分布筋散落，混凝土剥离、开裂并造成局部深洞。因受力钢筋断裂，混凝土壁有效截面减小，必然会造成仓壁混凝土裂缝或开裂。

而某设计院加固方案认为的原因（1）是存在的，但原因（2）模糊不清，认为进料口矿石在下落过程中角度过大对仓壁冲击的概率增加。实际情况是矿石进料口位于仓顶中心，经皮带运输是垂直下落的。

这种对破坏原因分析不清的方案，不能有针对性地解决问题，其结果是修补后仓内壁会再次受损破坏，不能从根本上解决问题。

4　筒仓仓壁受力分析及结构设计

从上述加固方案可以看出，该方案存在以下问 题：

（1）针对仓壁内侧的折断钢筋没有处理措施；

（2）外侧新增仓壁水平环向配筋小于竖向配筋，说明设计人员对筒仓的受力概念不清；

（3）未按GB50010—2010《混凝土结构设计规范》规定，对仓壁混凝土进行裂缝控制验算；

（4）仓体外侧新增50cm厚钢筋混凝土，仓壁重量超过1800t，未对增加荷载后的结构进行抗震验算；

（5）根据GB50077—2017《钢筋混凝土筒仓设计标准》，本工程地基基础设计等级为乙级，未按GB50077—2017《建筑地基基础设计规范》要求，对加固后地基变形进行设计 验算。因此有必要对筒仓结构受力情况进行分析，以及对筒仓结构设计、计算过程进行介绍。

筒仓壁任意竖向断面，除内侧竖向摩擦力外，可以近似看成完全受拉截面，且拉力随着仓内矿石深度增加，从上到下随之增大。因此水平环向钢筋为主要受力钢筋，竖向钢筋应为分布筋。仓壁横截面断面受力如图4所示。 根据《特种结构设计》，仓壁单位高度的环向拉力可按式（1）计算。

   

图4　仓壁环向拉力计算简图

F _n = γ ₀ γ P _n D /2 （1）

式中： F _n 为仓壁单位高度的环向拉力设计值； γ ₀ 为结构重要性系数； γ 为设计分项系数。 P _n 为矿石作用下仓壁计算截面处单位面积上水平侧压力，可按GB50077—2017《钢筋混凝土筒仓设计标准》第4.2.2–1式进行计算； D 为筒仓内径。

在实际设计过程中，可根据Fn计算水平环向配筋面积，且应对仓壁混凝土进行裂缝控制验算。当仓壁按二级裂缝控制等级时，受拉应力不大于混凝土轴心抗拉强度标准值。另外，还应进行抗震验算及地基变形验算。

5　筒仓仓壁加固和维修方案

在了解仓壁的受力情况后，针对该矿仓，探讨合理的加固步骤及方案。

（1）根据实际破坏情况，确定加固范围为标高9.500~26.500m。

（2）仓壁内侧折断及损伤的水平环向钢筋处理。按原设计等径等间距逐根修复，并按受拉钢筋两端焊接拉通，接头应尽量按规范要求错开。

（3）仓壁内侧折断及脱落的竖向钢筋处理。尽量按原设计等径等间距逐根修复，并与水平环筋点焊连接。

（4）仓壁内侧缺陷混凝土处理。先清理仓壁内侧表面松散的混凝土，清洗干净，刷结构界面胶，然后采用C45无收缩的高强灌浆料将缺陷混凝土修补平整。

（5）仓壁混凝土贯穿裂缝处理。可采用环氧树脂压力注浆修补混凝土裂缝。

（6）轻轨内衬处理。按原设计修补或增补轻轨内衬，确保轨底与原仓壁埋件焊接牢固，并保证焊缝质量。为加强内衬与仓壁的连接，在原埋件中部加植2 ф14@150爪筋，一端与轻轨底板面焊接（图5）。

   

图5　轻轨内衬处理示意

（7）防冲击处理。为防止仓壁再次受损，在两轻轨内衬之间加12mm厚Mn13的耐磨钢板，并与轻轨焊接牢固。钢板与仓壁面预留6cm空隙。当钢板与轻轨连接成1圈时，能有效抵抗一部分仓壁拉力，既可防止矿石对混凝土仓壁的冲击，又可对受损的混凝土仓壁起到加固作用。

（8）注浆加固处理。在上述处理完成后，采用C45高强灌浆料将空隙注满填实。顶部用灌浆料做45°斜坡。

6　经济比较

对某设计院加固方案见表1（方案1），以及本研究论述的加固方案（方案2）进行投资估算比较，可以看出，方案2可节约造价50%以上。

表1　投资估算比较    万元

   

7　工期

由于筒仓加固只能在公司大修期间（大修时间为1个月）进行施工，工期紧迫，因此可根据受损程度，分区段在多次大修期间进行施工。对仓壁受损严重的区段，先进行加固及修补，对受损程度相对较轻的区段，可在下一个大修期间进行施工。仓壁环向水平钢筋断裂，仓壁内侧混凝土剥离，仓壁开裂、有贯穿裂缝的区段为受损程度严重的区段，应先施工。

8　结束语

钢筋混凝土筒仓仓壁受损在矿山工程中经常发生，设计人员应根据实际使用情况，结合现行国家规范、标准，正确分析受损原因，对筒仓壁的受力有清晰的概念，才能提出经济合理、安全有效、针对性强的加固及维修方案，确保加固后的筒仓能正常使用，且不产生新的结构安全隐患。此处还应定期清理卸料口，并规范出料操作流程。