5000吨筒仓施组及应力分析.doc

筒仓结构整体破坏的几种可能发布: 2009-6-01 10:14 |  编辑: 李常平 |   来源: 成都建材设计研究院  摘要:     2005年浙江某水泥厂60m高生料均化库“爆炸”,2009年重庆某水泥厂60m高生料均化库倒塌人们于是产生疑问：是什么原因导致生料库倒塌的呢？同时不少水泥企业也因此担心，“我的筒仓安全吗？”本文通过三维模型剖析筒仓结构整体破坏的可能性，透视桩基局部失效对结构整体安全的潜在威胁    2005年，浙江某日产5000T水泥厂60m高生料均化库“爆炸”，顷刻间浓烟四起，方圆一里内尘土飞扬，遮天蔽日该事故中两人死亡，多人受伤2009年，重庆某水泥厂60m高均化库倒塌，临近高速公路中断，窑尾提升机，收尘器被砸坏，全厂停产，损失巨大事故后行业内反响巨大，勘察，设计，施工，监理等相关方立刻展开调查不少业主因此担心，“我的筒仓安全吗？”    近年来水泥工业蓬勃发展，大型新型干法水泥厂象雨后春笋般在全国各地兴建钢筋混凝土筒仓结构可谓大型水泥厂一大特色，直径从10m到60m，高度从20m到70m，储存物包括生料，掺和料，粉煤灰，碎石，熟料，水泥等，储量从几百吨到几万吨。

由于结构的重要性，在设计，施工过程中，对于筒仓的安全性考虑和采取的措施是到位的筒仓一般设计为筒壁支撑，仓体部分经严格裂缝验算，一般结构裂缝宽度平均不超过0.2mm，所配置的水平钢筋均大于抵抗物料侧压力所需要的配筋支撑筒壁内的压应力也远远低于混凝土极限抗压强度虽然经受着内部物料磨蚀的考验，由筒仓上部结构破坏导致的整体倒塌的案例极其罕见    以外径23m，高60m均化库为例，减压锥底部标高10m，有效储料高度48m建立立体模型进行三维结构分析，可得出筒仓应力图谱及支座位移和支座反力表其中地基假设为基岩，大直径桩基础基岩弹性模量E=5400MPa, 变形模量S=4700MPa，单轴天然抗压强度37MPa物料重量按照库壁圆周单位面积以重力荷载输入，结构自重自动计算物料水平压力按照每8m分段计算后输入除重力荷载和仓体水平压力，模型还同时考虑0.1KPa风荷载，30℃温度应力作用荷载组合COMB1=1.0水平荷载+1.0竖向荷载+1.0风荷载+1.0温度荷载　　　　　筒仓计算模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　筒仓支座编号(18个桩基)筒仓水平张拉应力图(MPa)筒仓支撑筒壁竖向压应力图(MPa)筒仓支座位移表（U3为竖向位移）JointOutputCaseCaseTypeU1U2U3TextTextTextmmmmmm1152COMB1Combination00-15.4235721153COMB1Combination00-15.2770611154COMB1Combination00-15.1567621155COMB1Combination00-15.1040031156COMB1Combination00-15.1189241157COMB1Combination00-15.193621158COMB1Combination00-15.3237471159COMB1Combination00-15.509521160COMB1Combination00-15.7232341161COMB1Combination00-15.7859611162COMB1Combination00-15.1538611163COMB1Combination00-13.856381164COMB1Combination00-14.5695131165COMB1Combination00-15.8409821166COMB1Combination00-15.9349981167COMB1Combination00-15.1446791168COMB1Combination00-14.9431341169COMB1Combination00-15.414919    从筒仓应力图及支座位移表分析，支座位移均匀，各桩基能均匀受力，结构沉降较小。

仓体部分最大张应7MPa，控制水平张力需要水平钢筋3d25@150（二级钢筋）而裂缝控制需要的水平钢筋为3d25@90，此时仓壁平均裂缝在0.18mm左右，仅比肉眼能够分辨的大小0.1mm稍大可见仓壁结构距离彻底破坏状态相差甚远再看支撑筒壁压应力，支座处及洞口局部约16MPa，但该部分有加强结构和钢筋，刚度和强度均远大于筒壁，结构安全是有保证的其余大部分筒壁压应力在8-12MPa，若用C30混凝土，其设计抗压强度fc=14.3MPa，而混凝土的极限抗压强度fu应大于30MPa可见支撑筒壁被压碎的可能性极小，除非施工质量极差况且，目前绝大数大型筒仓一般用C40混凝土，加上竖向钢筋作用，强度更有保障    显然，导致筒仓结构整体破坏的原因，极可能在基础和地基方面    当工程地质良好，地基土承载力较高，比如大于500Kpa时，或者基岩埋深较浅，采用浅基础比较经济时，筒仓均采用环板基础环板基础整体刚度大，与上部结构协调工作，抵抗地基不均匀沉降的弹性好这类基础施工采取大面积开挖，整个地基被揭露出来，可以直观判断地基的状况，筒仓因为地基问题发生整体破坏的可能性极小，除非产生更大范围的地基整体失效，如大型滑坡。

    当地基持力层以上软弱覆盖土层厚度较大时，筒仓一般采用桩基础由于筒仓自重加上储料的总重量大，每跟桩的压力一般较大，从数百吨到数千吨本文算例设18个桩基，通过三维整体分析可以得出支座反力标准值如下表筒仓支座反力表（F3为竖向反力）JointOutputCaseCaseTypeF1F2F3TextTextTextNNN1152COMB1Combination85836.97-42010.0521068598.851153COMB1Combination47503.47-62834.420868465.981154COMB1Combination44420.81-9892.9720704136.681155COMB1Combination37830.6341529.6520632067.961156COMB1Combination19832.2762139.9520652449.581157COMB1Combination-4533.2737621.1120754485.41158COMB1Combination-24906.64-42717.2320932239.051159COMB1Combination-34128.35-159173.0221186004.41160COMB1Combination-67307.09-205450.8321477937.621161COMB1Combination-230719.1363011.7521563623.21162COMB1Combination-564856.2796543.0120700174.331163COMB1Combination-113417.7514236.4718927815.371164COMB1Combination1026491.28-597778.0519901954.741165COMB1Combination446166.12-445665.5721638781.671166COMB1Combination-392870.98-300832.6621767207.781167COMB1Combination-636393.82-220024.6720687632.081168COMB1Combination142688.97361357.3620412320.551169COMB1Combination218362.68209940.1521056779.99    从上表看出，最大桩顶荷载1166支座为2176吨，平均单个桩顶荷载标准值在2100吨左右，如此巨大的荷载作用在单个构件上，如果桩基质量存在问题导致桩身强度偏低，或桩端持力层强度不足，或其它不良地质情况，均可能造成桩体破坏进而导致结构整体倒塌。

    首先从不良地质情况分析导致筒仓整体破坏的可能性从业人员往往会相信基岩埋深比较浅的工程场地是好的场地，基岩给人的感觉就等于安全，可靠，基础简单，经济多数情况下，这种直觉是正确的然而，由于岩石是非均匀的物质，基岩分布情况，软弱面构造，走向，倾斜，边坡，溶蚀，裂隙等，决定了岩体结构异常复杂而基岩一般埋藏在土体深处，完整、准确判断岩石的具体状态并不容易物探可以探明大型断裂构造，钻探可以取芯查明岩石样本物理指标，但目前还没有一种方法可以明确判断场地范围内基岩的整体外貌以及岩体内部溶蚀裂隙和软弱面的具体分布，导致结构基础设计所依赖的地质资料具有不完整性，它并非总是具有大于1.0的安全系数，这是对结构安全的潜在威胁    筒仓结构整体倒塌有以下几种可能：一、结构位于基岩凌空面附近，基岩存在软弱结构面    这种软弱结构面如果分布不普遍，地勘钻孔如果刚好不在该结构面处，则很难发现就算没有软弱面，当桩基荷载很大时，基岩凌空面也可能整体被剪切破坏，导致结构整体倒塌应对措施是，地勘明确判断基岩凌空面及走向，结构物远离凌空面在初步勘察阶段一般能发现基岩面标高有突变，详细勘察阶段则应增加布孔数量和加大勘察范围，明确指出基岩凌空面具体位置和走向。

如果结构物因为工艺布置不能远离基岩凌空面，应将桩基底部标高控制在能满足基岩边坡稳定的标高　　　　　　　　　　基岩凌空软弱结构面破坏示意图倾斜基岩面桩基滑移示意图二、基岩面倾斜角度大，桩基嵌入岩石深度不足，导致桩基滑移    这种情况一般从地勘资料能够判断基岩面的倾斜角度，设计时应适当加大桩基嵌岩深度施工时则务必以基底最低点计算桩基入岩深度，切忌因施工或测量误差导致桩基嵌岩深度不足，这将导致桩基滑移，进而造成结构整体倒塌的事故基岩面陡峭情况还应注意桩间距与桩底高差的关系，应根据地勘报告要求验算岩石边坡稳定性地勘报告缺少此项参数时，应要求地勘单位补充该数据三、桩基位于溶洞顶部    岩溶地区的桩基危险性极高，详细地质勘察不可能完全找出整个场地内的溶洞桩基规范规定，对于一柱一桩结构，应进行施工勘察，查明桩底5m或3d范围内的地质情况对于筒仓这种重型结构，当然不能认为是群桩而放松对地质勘察的要求尤其在岩溶地区，对所有桩底进行地质勘察是绝对必要的溶洞顶部破坏示意图四、局部桩基失效    当桩基位于地下水丰富，软弱土层较厚，桩身长度较大时，一般采用钻孔或冲孔桩这种桩基施工一般采用泥浆护壁法施工，可能因为地质资料不够准确，施工设备局限，。