某储煤仓倒塌事故原因分析与结构加固修复
0 引言
建 (构) 筑物发生意外倒塌事故具有不确定性，相比普通的建 (构) 筑物检测鉴定，更难直接准确评估倒塌事故后剩余部分结构的可靠性，分析倒塌建 (构) 筑物的破坏特点和倒塌部分在结构整体中的受力特征，找出导致事故发生的原因，为加固修复提供数据支持，亦是保证建 (构) 筑物安全使用的前提。
1 工程概况
某1～8号储煤仓的仓体为钢筋混凝土结构，内径21m，仓顶标高54.300m，单仓设计储煤1万t。仓上建筑采用钢框架，主体高度为4m，局部高15.7m。筒仓壁厚350mm，仓下支撑结构采用筒壁和内柱共同支撑，内柱截面1 200mm×1 400mm，混凝土强度设计等级均为C30。
1) 事故概况05:30 7号储煤仓在生产过程中标高8.300m以上仓壁突然倒塌。储煤仓垮塌堆积物呈扇形分布，钢筋裸露，其中断点钢筋发生缩颈延性断裂现象，如图1所示。
图1 倒塌事故后结构现状
Fig.1 Structure status after collapse
2) 初步调查为分析倒塌事故原因并查明其他储煤仓状态，检测储煤仓，且全面评价可靠性，给出处理意见。根据留存的部分结构图纸与资料，经实测，平面如图2所示。
图2 储煤仓局部平面
Fig.2 Local plan of coal bunker
2 结构检查与检测
1) 使用荷载调查通过调查可知，倒塌前，7号储煤仓年储藏量均值>8 500t，其他7座筒仓储藏量约5 000t;此外，7号储煤仓由于生产特点全年无休，其余筒仓则间隔式生产。
2) 结构缺陷检查检测7号仓剩余部分 (标高6.800m以下) 发现，剩余部分呈斜切面分布，倒塌截面处分布钢筋锈蚀严重，经检测，钢筋折断处力学性能已衰减。经观察筒仓外壁2m范围内，地面未发现起壳变形、延性贯通裂缝、沉降裂缝，标高0.000～6.800m筒体未出现裂纹变形情况。
3) 强度检测结果对倒塌部分进行钻芯取样检测，剩余构件强度尚能达到混凝土设计强度C30，但倒塌事故造成下部框架柱、框架梁、外环梁及漏斗等不同程度的结构损伤，如图3a, 3b所示。
4) 钢筋配置检测结果标高0.000～6.800m内部承重柱竖向受力钢筋数量与设计一致，但环向和竖向钢筋间距不符合设计要求。标高6.800m以上钢筋环向间距平均305mm (设计加密100mm、非加密200mm) 、竖向间距平均285mm，严重不符合设计要求。此外，抽检的5组钢筋各项力学性能指标均满足规范要求，如图3c, 3d所示。
3 结构承载力验算及分析
1) 计算说明该工程结构安全等级为二级，设计使用年限50年，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第1组，抗震设防类别为丙类。基本风压为0.40kN/m2 (R=50年) ，地面粗糙度类别为B类。基础采用钢筋混凝土柱下独立基础和筒壁下素混凝土刚性条形基础。荷载取值为楼面活荷载标准值4.5kN/m2，屋面活荷载标准值0.5kN/m2，基本风压0.40kN/m2，储煤重力密度8.5kN/m3，储煤内摩擦角φ=30°，储煤对混凝土板的摩擦系数为0.55。
图3 现场检查、检测
Fig.3 Site inspection and testing
本次结构承载力验算取现场实测数据，分别采用PKPM系列软件 (2010版) 及通用有限元软件MIDAS。MIDAS模型中钢筋混凝土梁柱采用梁单元，筒壁和仓壁采用板单元。仓壁贮料水平荷载按深仓计算公式手工计算，然后在MIDAS中按流体压力分段施加在仓壁单元。计算模型如图4所示。
图4 计算模型
Fig.4 Calculation model
2) 计算结果基础承载力验算结果为:安全裕度>1.15，通过对上部结构8.300～17.100m, 17.100～25.900m, 25.900～34.700m, 34.700～43.500m, 43.500～54.300m仓壁的计算，安全裕度均<1，计算结果如表1所示。
表1 承载力验算结果
Table 1 Checking results of bearing capacity
4 结构可靠性鉴定及事故原因分析
4.1 可靠性评级结论
依据GB 50144—2008《工业建筑可靠性鉴定标准》，在本次鉴定计算分析，现场检查、检测结果的基础上进行可靠性鉴定评级。
根据以上项目和结构系统评级结果汇总，储煤仓可靠性鉴定评级为三级，即可靠性不符合鉴定标准一级的要求，显著影响整体承载功能和使用功能，应采取加固处理措施。具体评级结果如表2所示。
表2 可靠性综合鉴定评级
Table 2 Reliability comprehensive evaluation rating
4.2 其余筒仓的结构可靠性鉴定
在7号仓检测鉴定的基础上，分别对其余7座筒仓进行结构检查、检测与可靠性鉴定。结果表明，其余7座筒仓6.800m以上钢筋环向间距、平均间距同样不满足设计要求，筒壁存在明显竖向裂缝，承载力验算结果不满足要求，可靠性评级均为三级隐患。
4.3 事故原因分析
经调查分析7号仓倒塌后剩余部分，并结合同类、同批次设计施工的其余7座筒仓结构现状进行检查、检测，依据实测数据验算承载力，根据最终可靠性评级结论，得出如下结论。
1) 导致7号储煤仓发生倒塌的主要原因为:储煤仓上部筒仓主要承重构件的安全裕度<1，承载力严重不满足要求，加之7号储煤仓使用频率及作业强度远大于其他7座筒仓 (发生倒塌时该储煤仓近乎满仓作业，其余7座多为半仓作业) 。
2) 导致承载力不足的主要原因为:原该批次8座筒仓在施工过程中偷工减料，导致环向箍筋严重不满足设计要求、部分竖向主筋间距略小于设计要求、筒仓上部部分区域混凝土保护层厚度低于设计值等。
3) 7号储煤仓倒塌剩余部分废除使用。建议立即对剩余7座筒仓进行停工加固修复处理，后续加固设计时需慎重考虑配筋不足问题，并进行合理的安全计算，加固施工过程中注意可能存在的缺陷，及时处理以保证筒仓加固后的使用安全。
5 加固修复
依据鉴定结论，应对剩余未发生事故的同类储煤仓采取停工与整体加固处理。采用无粘结钢绞线体外预应力加固法及非预应力筋组合加固法，对鉴定等级为三级的储煤仓进行加固，具体加固设计及工作内容如下。
5.1 施工准备阶段
加固施工前，首先清空仓内原料，以保证加固质量，并对仓壁进行找平及裂缝修复处理，裂缝采用注浆法修复，或由施工单位制定具体可行的施工方案。
为提高非预应力钢筋抗腐蚀性能，要求施工前钢筋外表面涂刷2道环氧防腐漆，连接点处连接完成后，现场涂刷2道环氧防腐漆。
第1个加固施工筒仓进行预应力损失效果试验，选择在高度15～30m间设置2道试验圈，按1, 3, 7d及每周观测1次进行检测记录，直至施工完毕装煤生产为止。
5.2 加固施工阶段
采用无粘结钢绞线体外预应力加固法，无粘结钢绞线每道为2s15.2钢绞线，极限强度标准值为1 860MPa，钢绞线张拉控制应力为1 209MPa。每根钢绞线包角180°，每圈对称设置2个张拉锚固点，隔圈交错90°放置，现场可根据锚具条件适当调整预应力筋间距，但需保证平均间距要求。筒仓环向预应力筋浮动锚具节点如图5所示，筒仓体外预应力筋奇、偶数组合圈布置如图6所示。
筒仓外表面用钢刷刷毛清洗干净，刷1道专用水泥基界面剂，钢绞线及非预应力钢筋施工结束后，采用65mm厚C30纤维细石混凝土施工，内挂3.0mm×500mm热镀锌钢丝网片，现场采用可靠方法固定钢丝网片，聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m，纤维长19mm，抗拉强度≥300N/mm，纤维细石混凝土中适量添加107胶。锚固点部位采用高强混凝土灌浆料封闭并严格防护，其中配置钢丝网片以防裂，保护层厚度50mm。此外，无粘结钢绞线及配套锚具需满足国家现行标准要求，施工应按照国家现行规范进行。筒仓加固如图7～9所示。
图5 筒仓环向预应力筋浮动锚具节点
Fig.5 Anchor nodes to the floating ring silo prestressed reinforcement
图6 奇、偶数组合圈布置
Fig.6 Layout of the odd and even combined cycle
图7 筒仓加固修复平面
Fig.7 Plan of reinforcement and repair of the silo
图8 热镀锌钢丝网片拉结
Fig.8 Hot dip galvanized steel wire mesh
5.3 加固施工竣工阶段
施工完毕，待装煤生产运行后，开始隔3, 6, 12个月，以后每隔2年对筒仓外壁裂缝变化进行观测，如发现新增>0.2mm明显裂缝或外皮脱落等情况，应紧急停运，并及时通知设计、施工等相关单位进行处理。
图9 外部加固层
Fig.9 External reinforcement layer
6 结语
1) 筒仓倒塌事故原因分析基于倒塌部分筒仓的事故调查，检查、检测分析结果，并结合同批次同类工程的结构可靠性鉴定结论对比分析最终得出。
2) 该储煤仓采用无粘结钢绞线体外预应力加固法及非预应力筋组合加固的方案和施工流程，经加固修复处理后，加固的各项指标均满足设计要求，达到预期效果。
3) 偷工减料造成环向箍筋严重不满足设计要求等因素，是造成此次事故的主要原因，在今后项目建设中应予以重视。
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