煤矿的煤仓随着使用年限的增加, 其材料不断损伤劣化, 构件也会出现不同程度的破损及顺筋裂缝, 导致结构整体性能减退, 可靠度下降^[1,2,3]。2008年徐州某煤仓因耐久性问题导致结构承载力不足, 进而倒塌, 造成了巨大的经济损失及人员伤亡。因此对煤仓进行及时的可靠性鉴定, 对不满足后续使用年限要求的煤仓进行加固设计, 为延长其使用寿命, 防止重大事故的发生具有重要意义。

　　 经课题组多年研究^[1], 正在生产的煤矿均存在大量的气态、液态及固态腐蚀性介质。其中气态介质中含有CO₂, H₂S, HCl, Cl₂等;液态介质中含有Na⁺, K⁺, SO₄^2-, Cl^-等;固态介质中含有Ca O, Al₂O₃等。这些介质对混凝土或钢筋均具有强或弱的腐蚀性。

　　 某煤仓 (图1) 为钢筋混凝土圆形双联筒仓, 于1977年设计, 总高28.20m, 内径为10.00m, 由基础、仓下支承结构 (包括筒壁与柱) 、仓底 (包括漏斗及环梁) 、仓壁、仓顶及仓顶建筑物组成。基础为片筏基础;筒壁厚220mm, 柱截面尺寸为300×800与400×400;漏斗高度为2.66m, 倾斜角度为53.1°;环梁截面尺寸为500×1 000;仓壁厚220mm;仓顶板为80mm厚的钢筋混凝土现浇板, 梁的截面尺寸为400×800的钢筋混凝土井字梁。混凝土强度等级均为200# (相当于现在的C18) , 钢筋主要采用HPB235级, 仓壁与筒壁外层钢筋保护层厚度20mm, 内层钢筋保护层厚度35mm。仓顶建筑物从标高22.000~27.900m为砖砌体结构, 墙体厚240mm, 屋面钢筋混凝土大梁截面尺寸为200×500, 钢筋混凝土屋面板厚度为80mm。砌筑砂浆设计强度为#50 (相当于现在的M5) , 砖砌体设计强度为#75 (相当于现在的MU7.5) 。限于当时的技术水平, 且长期处于恶劣的煤矿地面工业环境, 煤仓损伤劣化严重。煤仓剖面图如图2所示。

　　 仓顶、仓壁、环梁、漏斗及筒壁少量混凝土出现蜂窝、麻面及顺筋裂缝, 裂缝宽度主要介于0.8~2.9mm之间, 部分混凝土破损严重, 钢筋锈蚀严重, 少量已锈断, 且混凝土表面附有煤矿地面工业环境中特有的腐蚀性固态物质。筒壁有时会受到运输车辆碰撞, 导致构件破损。同时, 因产煤、销煤等原因, 煤仓外侧经常堆放较高的煤堆, 对筒仓造成了一定的侧向挤压。现场未发现煤仓因地基基础不均匀沉降产生的裂缝及倾斜。部分外观质量见图3。

　　 用1%的酚酞酒精溶液 (含20%蒸馏水) 滴落在混凝土表面, 以混凝土变红色与未变红色的交界处作为混凝土中性化的界面, 检测结果见表1。由表1可见, 混凝土碳化深度平均值为42.3mm, 已超过了原设计保护层厚度。

　　 对仓壁、环梁、漏斗、筒壁及柱采用回弹法检测混凝土抗压强度, 并用钻芯法进行修正, 检测结果见表1。由表1可见, 主要构件混凝土强度满足原设计强度200#要求。

　　 现场对仓壁与筒壁的横筋进行了锈蚀检测, 并截取该部位少量横筋在实验室进行力学性能测试。仓壁与筒壁采用的钢筋强度等级均为HPB235。锈蚀通过游标卡尺测钢筋截面积减少量来确定, 力学性能通过拉伸试验的方法进行测试。

　　 经检测, 横筋锈蚀率较为接近, 主要介于10.75%~16.03%之间, 最大值达19.57%。钢筋的力学性能试验结果表明, 取样部分钢筋屈服强度与极限抗拉强度有一定程度的下降, 部分低于材料要求;锈蚀钢筋屈服极限不是很明显, 钢筋伸长率偏小, 钢筋已经有明显的脆化。

　　 利用经纬仪对煤仓东、西、南、北这四个方向进行整体倾斜测试, 测试结果见表2。可见, 煤仓整体倾斜量及倾斜率均较小, 满足现行相关规范的要求。

　　 设计复核验算在考虑煤仓的实际情况下, 以现行规范《钢筋混凝土筒仓设计规范》 (GB 50077—2003) ^[4]和《构筑物抗震设计规范》 (GB 50191—2012) ^[5]为依据, 选取实测结果进行验算。

　　 对煤仓的各个部分按相关图纸及现场实测构件位置、尺寸采用手算的形式进行计算。荷载考虑仓顶建筑物及机器设备等恒载、活载, 按照满仓状态时进行计算, 同时考虑风荷载和地震作用。混凝土强度等级采用实测强度C30。

　　 考虑钢筋混凝土构件承载能力退化、混凝土劣化及内部钢筋锈蚀、表面裂缝、粘结力下降等因素的耦合作用, 为保证设计复核验算结果安全可靠, 对构件性能进行一定程度的折减^[6]:有效面积折减系数 (有效截面面积/实际截面面积) 取0.90, 材料性能折减系数取1.0 (按实测强度计算) , 粘结性能折减系数取0.9。综上, 构件性能折减系数取0.81。

　　 原设计与构件验算结果对比见表3。可见, 验算结果与原设计相比, 仓顶处梁与环梁的纵筋、仓壁与筒壁的环向钢筋及中柱纵筋均不能满足承载力要求。同时与《钢筋混凝土筒仓设计规范》 (GB50077—2003) 相比, 煤仓部分构造措施也不能满足要求, 仓顶建筑物不宜为砖砌体结构。

　　 根据《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—2008) ^[7]规定, 可靠性鉴定按构件、结构系统、鉴定单元分三个层次。煤仓结构系统由地基基础、仓体、支承结构及附属设施组成, 其中, 仓体与支承结构包括仓下支承结构 (包括筒壁与柱) 、仓底 (包括漏斗及环梁) 、仓壁、仓顶。依据《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—2008) ^[7]第9.3.9条, 附属设施可不参与鉴定单元的评级。钢筋混凝土煤仓可靠性鉴定结果见表4。

　　 依据鉴定结果, 该煤仓不符合《工业建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50144—2008) ^[7]的可靠性要求, 影响整体安全, 在目标使用年限内明显影响整体正常使用, 应采取相应措施。

　　 依据煤仓可靠性鉴定结果, 加固方案要考虑煤仓的实际情况, 在满足现有规范^[4,5,8]要求的前提下, 以满足后续使用年限为依据来选择合适的加固设计方案, 使加固后的煤仓承载能力、抗震性能达到后续使用年限的使用要求, 同时需要考虑加固设计经济合理, 施工更为方便。

　　 由设计复验算结果可知煤仓验算配筋与原设计配筋 (考虑折减) 相比相差较小, 原因是煤仓设计时以当年现行规范为依据, 富余系数取值过大。依据上述复核验算结果, 该煤仓选用粘贴碳纤维布 (CFRP) 加固法与增大截面加固法加固。其中大部分采用碳纤维布加固法, 该法施工快速, 对生产的影响很小, 几乎不增加结构的自重, 且耐用、维护费用低。针对煤仓恶劣的使用环境, 考虑到目标使用年限内结构构件的二次性能退化, 加固计算时进行了相应的折减。

　　 加固后抗震设防类别为丙类, 结构安全等级为二级, 后续使用年限为30年。增大截面加固法的混凝土保护层厚度取50mm。

　　 现场发现仓顶的板及井字梁部分表层混凝土酥松、劣化, 钢筋外露锈蚀的部位须先修复^[6]。对钢筋锈蚀的构件先除锈, 然后涂刷阻锈剂, 待阻锈剂表面干燥后用聚合物砂浆进行修复, 为增加界面粘结力, 可涂刷界面剂进行处理。同时仓顶梁加固补强后需抹20mm厚聚合物砂浆进行维护。仓顶梁加固示意图见图4, 碳纤维布厚度均为0.167 mm。

　　 仓壁是一种处于竖向压力和内部垂直壳壁压力作用下的圆柱薄壁壳体结构, 且内部压力值从仓顶到漏斗顶部不成比例增加, 计算时重点考虑环向拉应力的影响^[9,10]。对于仓壁环向承载力不足的问题, 首先应对混凝土疏松、破损及露筋的部位进行修复, 然后对不同的部位粘贴不同加固量的碳纤维布进行加固补强, 最后在碳纤维布面层抹20mm厚聚合物砂浆进行维护。仓壁加固示意图见图5。

　　 环梁与筒壁、漏斗及仓壁整体浇筑, 内部钢筋互相连接, 在外荷载作用下, 四者互相协调, 共同抗弯、抗扭。计算时采用单独构件方式计算偏于安全, 故环梁加固时仅在环梁下没有筒壁的部位进行加固。加固前对混凝土破损、露筋部位进行修复, 加固后在碳纤维布上抹20mm厚聚合物砂浆进行维护。环梁加固示意图见图6。

　　 对不满足要求的中柱采用增大截面的方法加固补强^[6], 此法与粘贴碳纤维加固法相比, 具有能显著提高构件承载能力和结构整体性的优势, 同时造价较低。框架柱截面在两侧各增加100mm, 新增混凝土强度等级采用C35, 钢筋采用HRB335。部分加固大样见图7。对于筒壁, 加固方式参考仓壁上壁即可。

　　 依据《钢筋混凝土筒仓设计规范》 (GB 50077—2003) 与《构筑物抗震设计规范》 (GB 50191—2012) , 仓顶建筑物不宜为砖砌体结构, 同时该砌体结构与下部仓顶、仓壁未有可靠性连接, 故建议拆除, 然后重新设计轻钢结构。

　　 对于承载力满足要求的各构件, 如有出现混凝土破损、钢筋锈蚀的部位, 除锈后用聚合物砂浆修复即可。

　　 粘贴碳纤维布加固时, 应先对原构件进行修复。对于棱形构件或尖锐外凸角结构应进行圆化处理, 采用机械如研磨机打磨成设计要求的圆弧角。涂刷底胶时应采用滚轮毛刷均匀涂敷, 使其能够浸入混凝土, 增加混凝土的表面强度。纤维织物的粘贴应使纤维粘粘方向与受力方向一致, 应保证碳纤维布粘结密实度, 不得有空鼓等缺陷。

　　 增大截面加固时, 对新旧混凝土结合面应进行凿毛, 凿毛深度应达到骨料新面, 同时在原混凝土的界面涂刷界面剂。新增混凝土截面的混凝土拌制时应满足现行行业标准和地方标准的有关规定, 根据具体加固工程的要求, 按照已完成的混凝土配合比拌制适量的混凝土, 并应充分振捣。拆除模板时必须待混凝土达到设计或规范要求的脱模强度时方可进行。

　　 (1) 由于煤矿所处的特殊环境, 钢筋混凝土煤仓自建成使用一段时间后或多或少会出现耐久性问题, 当达到一定程度后需要对其进行可靠性鉴定, 当不满足后续使用年限要求时需对其进行修复、加固以及维护。

　　 (2) 现场检测需根据国家相关规范条目进行准确的测试, 然后依据实测的尺寸及材料强度对构件、结构进行承载力验算, 为后续的可靠性鉴定提供可靠的数据。

　　 (3) 对于不满足后续使用年限的构件以及结构应考虑后续使用年限的多少选取合适的方法以及加固量进行修复、加固补强以及长期维护, 同时需考虑加固后结构的二次损伤劣化问题。