某贮煤筒仓主体由2个直径为15.000m钢筋混凝土筒仓组成, 仓顶标高20.800m, 仓上为框架结构, 建筑物总高度32.300m。该筒仓用于储存原煤, 其中西仓为粗骨料, 东仓为细骨料 (泥浆) , 筒仓建筑平面、剖面布置如图1所示。该建筑为丙类建筑, 框架抗震等级为三级, 安全等级为二级。抗震设防烈度为7度, 设计地震分组为第三组, 设计基本地震加速度0.15g, 场地类别为Ⅱ类。设计使用年限为50年, 环境类别:标高-8.200m以下为二b类, 标高-8.200m以上为一类。屋面防水等级为Ⅱ级。现该筒仓在使用过程中因使用不当, 造成仓体渗漏, 寒冷环境下导致仓壁发生冻融破坏。

　　 根据现场实际情况及现行规范^[1,2], 对该筒仓各部位的混凝土构件进行了混凝土强度随机抽样检测。对于混凝土表面完好区域采用回弹法检测, 对于冻融破坏区域采用钻心法检测其强度。

　　 筒仓筒壁、仓壁、仓上结构等表面完好区域的混凝土强度达到设计要求, 混凝土强度推定值 (混凝土立方体抗压强度标准值) 如表1所示。

　　 冻融破坏区域的混凝土酥松、剥落, 强度损失严重, 通过钻芯法测定混凝土强度, 综合评判混凝土立方体抗压强度为20MPa。

　　 通过化验室煤质分析报告单, 原煤含水率约为18%, 含水率较高。由于生产环境及工艺, 原煤经冲洗后含水率进一步增加, 粗骨料与细骨料装入筒仓后, 普遍出现渗漏现象, 且筒仓所在地区冬季最低温度为-25.1℃, 该筒仓破损主要表现为冻融破坏。筒仓破损具体表现为:

　　 (1) 筒仓东、南侧仓壁出现明显冻害现象, 环向长约18m区域的仓壁向外鼓起, 该区域外表面混凝土疏松, 粗骨料外漏, 甚至出现纵横交贯的裂缝, 如图2所示。

　　 (2) 东仓仓壁发生严重渗漏, 冻融破坏严重的区域甚至在冬季出现如图3所示的冰凌堆积现象。另外在东、西两仓的下环梁梁顶大面积出现渗漏现象, 表层冻融破坏, 西、南侧筒仓窗洞处也发现轻度冻融破坏。

　　 (3) 东仓仓壁冻融破坏严重部位如图4所示, 表现为裂缝沿着仓壁内部的钢筋水平及竖向分布, 开裂严重区域裂缝贯穿筒壁。

　　 (4) 筒仓冻融破坏明显的区域局部仓壁竖向、环向钢筋外露, 伴有轻微锈蚀, 如图5所示。外露钢筋与混凝土之间有粘结滑移迹象。

　　 在仓壁新凿开的混凝土表面上喷浓度为1%的酚酞酒精溶液进行混凝土碳化测试^[3], 测试结果如表2所示。仓壁混凝土的碳化深度小于其钢筋的保护层厚度。由此可见, 仓壁混凝土的碳化对钢筋锈蚀的影响可以忽略不计。

　　 检测中发现该筒仓东仓冻害区域的裂缝集中出现, 而西仓存在少量水平环向裂缝, 这些裂缝多集中在施工模板接缝处, 属于施工缝处理不当, 非受力所致, 另外在下环梁位置多处出现环向渗漏, 并伴有表层混凝土冻融破坏现象, 除此之外, 筒壁无其他明显裂缝。

　　 为了明确筒仓东仓的冻害损伤范围, 对筒仓东仓冻害区域的裂缝分布进行观测记录, 裂缝分布如图6, 7所示。

　　 裂缝形态量测尺寸如表3~5所示。其中3号损伤区域的范围位于筒仓南侧, 且紧贴钢楼梯西侧, 标高在5.000~16.000m范围, 最大宽度约2.5m, 该区域部分混凝土保护层及抹灰脱落。

　　 5号损伤区域位于钢楼梯附近, 标高在-1.050m以上, 宽度约1.1m, 分布3个破损区域, 面积分别约为40cm×40cm, 50cm×20cm, 40cm×30cm。主要损伤特征为筒仓体外表面混凝土抹灰剥离, 局部混凝土损坏致使钢筋外露。

　　 6号损伤区域位于筒仓筒体南侧、钢楼梯西侧4m处, 宽度约2m, 标高-0.550m处有一条环向裂缝, 混凝土剥落, 钢筋外露;该环向裂缝下破损区域的面积约为150cm×60cm。

　　 为精确确定冻害混凝土的范围, 利用混凝土发生冻害损伤后密实度将会降低的性质, 选用FLIRTherma CAM E300红外热像仪 (热敏感度为0.01℃) 对冻害混凝土区域进行检测。

　　 (1) 该筒仓东仓红外成像如图8所示。通过对红外成像图片进行判读, 冻融破损位置显示温度异常, 与相邻混凝土红外图像形成鲜明对比, 破损区域边界清晰, 这与现场检测损伤调查描述范围基本吻合。

　　 (2) 该筒仓西仓红外成像如图9所示。通过对红外成像图片进行判读, 发现筒仓西仓混凝土表层整体温度均匀, 未显出大范围异常区域, 仅个别位置发现了异常点, 经与现场检测结果对比, 发现为漏斗环梁渗漏区域, 说明该区域有一定程度的冻融破坏现象。

　　 筒仓仓壁混凝土出现局部膨出变形、开裂, 对混凝土开裂损伤成因进一步详细分析。主要损伤因素有以下3点:

　　 (1) 仓内泥浆结冰以及渗漏冻融:混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是混凝土发生冻融破坏的必要条件, 经过多年的冻融循环后, 混凝土中的裂缝相互贯通, 其强度也逐渐降低, 混凝土结构由表及里遭受破坏^[4]。冻结速率越快对混凝土破坏力越强;冻结温度越低, 混凝土受到的破坏越严重。原矿仓渗入仓壁的水在冬季出现冻融交替变化, 导致附近混凝土出现冻融损伤。冻害发生部位的混凝土强度偏低与其冻融破坏有一定关系。

　　 固态原煤与岩泥相比, 其对仓壁侧向压力较小。由于原煤中含有一定水份, 而原设计对混凝土无抗渗要求, 因此仓壁出现渗漏。筒仓内的积水在寒冷天气中结冰膨胀, 短时间对仓壁产生的侧向压力急剧增大。

　　 (2) 筒仓内原料变化造成仓内堆料自重增大:筒仓设计贮料为刚出井的原煤, 即散料 (松散固体颗粒) , 经调查, 该矿井初期刚出井原煤的含水、含泥量较大, 洗煤、生产过程中用水冲洗后导致原煤细骨料进入筒仓, 因此仓内贮料成为矸石与水的泥浆混合物, 其重力密度远大于原煤, 并且由于泥浆沉淀凝聚, 经常堵塞漏斗口。由于仓内贮料改变, 其对仓壁的作用力随之改变, 仓壁环向力增大, 导致竖向裂缝增大、增多。目前损伤部位的裂缝宽度远超原设计允许的最大裂缝宽度 (0.2mm) 。

　　 (3) 仓壁内钢筋与混凝土之间出现粘结滑移破坏:钢筋与混凝土之间的相互作用来自于两者接触面胶结力、摩擦阻力及机械咬合力。冻融损伤会造成这3种作用力的降低, 从而出现钢筋与混凝土之间的粘结滑移破坏。图5显示出仓壁混凝土中的钢筋出现局部滑移破坏现象。

　　 仓壁冻害发生部位位于仓壁东南角阳光照射面, 此部位出现渗漏, 冻融较其他部位严重, 冻融导致混凝土强度和密实度下降, 继而混凝土对钢筋握裹力下降, 在内部水结冰膨胀作用下, 仓壁冻融部位混凝土膨出变形, 钢筋发生滑移粘结破坏。

　　 采用ABAQUS软件对筒仓进行分析, 筒仓梁、柱部分使用三维梁B31单元进行模拟, 筒仓仓壁可不考虑壳面的平面外剪切效应, 使用薄壳S4R四节点减缩积分壳单元和S3三节点壳单元进行模拟。扶壁柱与筒壁做节点耦合处理。筒仓中钢筋使用分层壳单元进行模拟, 计算模型见图10。

　　 采用振型分解反应谱法进行模拟, 振型组合使用CQC方法, 按照抗震设防烈度7度、设计地震分组第三组、设计基本地震加速度0.15g、场地类别Ⅱ类进行计算。仓壁计算高度小于半径的1.5倍, 应按照圆形浅仓进行内部压力计算。荷载组合按以下3种工况设置:1) 工况1:不考虑冻融、剥蚀等损伤, 筒仓内按照泥煤进行地震作用组合, 容重为14k N/m³;2) 工况2:考虑冻融、剥蚀等损伤, 损伤按照实测剥落程度将筒壁上部混凝土厚度由250mm折减为200mm作为损伤考虑, 筒仓内按照原煤进行地震作用组合, 容重为12k N/m³;3) 工况3:考虑冻融、剥蚀等损伤, 筒仓内按照泥煤进行计算, 容重为14 k N/m³。

　　 (1) 图11为工况1作用下漏斗及漏斗梁、扶壁柱的应力图, 图12为工况1作用下筒仓的应力图。由图11, 12可知, 筒仓的环向应力在安全范围之内, 漏斗底板及侧壁应力较大, 局部超过混凝土强度范围;扶壁柱、漏斗梁的应力均在安全范围之内。

　　 图13为工况1时筒仓在地震作用下的位移图。由图13可知, 顶层框架部分位移较大, 水平位移达到30.036mm。

　　 (2) 图14为工况2作用下筒仓混凝土、钢筋应力图。由图14可得, 仓壁混凝土环向拉应力最大值达到9.05MPa, 部分环向区域混凝土超过材料抗拉强度设计值;仓壁环向钢筋应力为21MPa, 在规范限值内, 扶壁柱及梁、柱部分应力满足设计要求。

　　 (3) 图15为工况3作用下筒仓混凝土、钢筋应力图。由图15可得, 随着仓壁侧向荷载的增加, 混凝土、钢筋环向拉应力显著增大, 对筒仓高度方向的应力影响较小。筒仓仓壁混凝土拉应力超过材料抗拉强度设计值, 泥煤容重较高直接影响了筒仓开裂、破损。仓壁环向钢筋应力为34MPa, 较之前有所增大, 但仍在规范限值内, 出现冻融破坏及荷载增加的情况后, 仓壁的钢筋应力依然保持在规范限值内, 扶壁柱及梁、柱部分应力满足设计要求。

　　 依据现行规范^[5,6], 筒仓仓壁主要承受由贮料产生的环向拉力作用。综上所述, 根据现场检测数据及计算结果, 筒仓各构件的承载力计算结果及承载力子项评级结果见表6。

　　 通过现场检测、红外成像及有限元分析, 对某贮煤筒仓的冻融损伤程度以及承载能力进行了研究, 主要得出以下结论:

　　 (1) 筒仓仓体冻融破坏严重, 钢筋与混凝土之间出现粘结滑移, 胶结力消失, 握裹力、机械咬合作用力大幅度降低;混凝土强度显著降低, 结构承载力及整体协同工作性能大幅度降低, 结构存在较大安全隐患。

　　 (2) 结合现场检测结果和有限元分析结果, 筒仓仓体安全性评级为D级, 使用性评级为C级, 可靠性评级为D级。综上, 筒仓可靠性评级为四级。

　　 (3) 筒仓主体结构出现冻融破坏, 主要由仓内泥浆结冰以及渗漏所致, 为确保不再发生仓体内冻融现象, 生产环节应按要求严格控制;应对存在安全隐患的筒仓东仓冻融破坏严重区域进行局部更换、加固及补强处理;仓体局部竖向、环向钢筋外露且锈蚀, 应对该部位钢筋进行彻底除锈, 并采用设计强度等级高的膨胀混凝土加固补强。

　　 (4) 本文通过现场检测对筒仓进行初步鉴定分析, 再利用有限元软件对其承载能力进行分析, 较为准确地得到筒仓的鉴定结论, 可供类似工程参考。