受损混凝土连体筒仓结构加固技术

冯良慈 李占广 周先财

江苏新筑预应力工程有限公司 江苏 南京 211899

我国早期应用于水泥生产线上的储料仓受施工、生产技术所限，大多采用直径为12～18 m、高度为30～50 m的小直径筒仓。由于储料量较小，因此一条生产线要配备多个储料仓，为了节约宝贵的土地资源，在满足水泥生产工艺的前提条件下，许多工程采用了钢筋混凝土连体筒仓。

水泥生产线中的钢筋混凝土筒仓由于长期在装料、卸料往复荷载作用下，使用数年后容易导致混凝土仓壁产生大量裂缝及混凝土剥落情况，从而影响筒仓结构耐久性及使用安全，严重时可导致筒仓倒塌。为了消除隐患，应对出现裂缝的筒仓壁进行加固处理。目前，对单体筒仓的加固方法已经相当成熟，常采用扩大截面加固法、粘贴钢板加固法、体外预应力加固法等。但连体筒仓由于仓壁两两相连，因此与单体筒仓加固相比，如何将大量后增加的环向受力钢筋穿过仓壁连体部位，同时最大程度减小因加固开孔对筒仓连接部位的损害，成为连体筒仓加固的难题。目前，对于类似的受损连体筒仓[1-2]，常规的做法仅对裂缝或受损混凝土部位进行修复、处理，经过数年使用后，又在混凝土的其他薄弱部位出现受损情况，治标不治本。而采用体外预应力加固技术难度较大，技术要求较高，国内鲜有相关的成功案例。

1 工程概况

江苏某水泥集团有限公司2 500 t/d熟料水泥生产线于2004年建成投产。其中的水泥储存1#～8#库为2组4连钢筋混凝土筒仓结构，库内径15 m，高34 m，壁厚250 mm，混凝土强度等级C30（图1、图2）。使用10多年后，发现仓壁多处出现裂缝及混凝土损伤情况。

图1 四连体筒仓俯视

图2 四连体筒仓立面示意

2 仓壁结构检测及受损原因分析

2.1 受损仓壁结构检测

为准确客观地判断混凝土筒仓的安全状况，为后期加固处理提供设计依据，首先由专业的机构对仓壁结构进行检测。检测主要包括：采用回弹法检测混凝土的强度，采用钢筋探测仪对库壁外层钢筋间距及保护层厚度进行检测。结果如下：

1）仓壁混凝土强度检测值≥30 MPa。

2）仓壁钢筋间距检测值：设计间距200 mm，实测间距165 mm；设计间距120 mm，实测间距152～158 mm；设计间距110 mm，实测间距130～138 mm。

2.2 仓壁受损原因分析

检测结果显示，仓壁混凝土强度满足原设计要求，钢筋间距不满足原设计要求。经过综合分析，正是由于钢筋实际间距大于设计间距，同时水泥生产线中使用的钢筋混凝土筒仓长期处在装料、卸料往复荷载的作用下，导致局部存在初始缺陷的部位首先产生裂缝或保护层脱落、露筋现象，采用搭接接头的环向受力钢筋逐步失去混凝土的握裹而失效，从而导致仓壁更多部位出现网状裂缝，混凝土保护层出现空鼓、脱落及局部露筋现象。若不果断采取有效措施处理，缺陷势必不断扩大，产生类似多米诺效应，最终可能导致结构失效而造成水泥仓倒塌的严重事故。

3 受损连体筒仓仓壁加固方案的选择

借鉴单体筒仓成功的加固修复案例，可供本项目受损四连体筒仓选择的加固方法主要有3种，分别论证如下。

方法1：在筒仓外壁使用扩大截面法。此种方法是单体受损筒仓常用的加固手段，具有造价低、方法简单、效果明显的特点。但是连体筒仓与单体筒仓显著不同的特点在于连体筒仓的仓壁是互相连接的整体，难以将后增加的环向钢筋穿过连体部位（如图3方框内的部分），即使能将所有的环向钢筋穿过连体部分，那大量的孔洞也会使连体部位混凝土严重受损，因此在仓壁体外增加普通钢筋混凝土套的方法不可行。

图3 扩大截面加固方案示意

方法2：通过在筒仓内侧粘贴钢板或扩大截面。此种方法首先受限于仓壁内狭小的操作空间，同时还要清理仓壁并移除仓顶设备及筒仓顶板，施工难度极大，施工周期长，同时整条水泥生产线必须长期停产，业主无法接受。

方法3：采用体外预应力法。对结构施加适当的预应力是一种高效的加固手段，也常被应用于单体仓的加固工程中，但其要求的专业性相对较强。针对本工程连体仓的特点，预应力筋如何穿过仓体的连体部位形成闭环同样是个难点。但考虑到采用体外预应力加固后，穿过连体部位的预应力筋量大幅减少，并且预应力筋可以集束布置，难度和工程量也大大降低。因此，该项目最终决定采用体外预应力加固技术对筒仓壁进行加固补强。

4 仓壁体外预应力加固设计

4.1 体外预应力加固锚固体系的选择

体外加固预应力锚固体系的选择需考虑以下问题：

1）连体仓体外预应力加固的难点是将预应力筋穿过筒仓连接部位形成闭环，需尽量减少开孔数量，降低难度。

2）张拉时预应力筋会与仓壁产生较大的摩擦力，需要减小摩擦力，有效提高预应力。

3）体外预应力筋加固后长期暴露在空气中，除了无黏结外包塑料和油脂防腐外，还应增加一定的防腐措施，以提高结构的耐久性。

因此本工程经过比选，预应力筋采用了φ21.6 mm大直径环氧涂层钢绞线，其公称面积是常规φ15.2 mm钢绞线的2倍，从而使得开孔量减少1倍，并外加了无黏结塑料护套及油脂，锚固体系配套使用QM22-2型夹片式锚具及200 mm×200 mm×45 mm钢垫板。

4.2 预应力筋布置方案

预应力筋环绕库壁外侧，由包角270°和90°的两段搭接成一环，分别锚固于连体部位的两端（图4）。人孔洞口位置的预应力筋分散到洞口上下两侧布置。

图4 预应力筋平面布置示意

4.3 体外预应力加固设计计算

首先依据GB 50077—2017《钢筋混凝土筒仓设计标准》中的相应公式计算出贮料压力，并依据贮料压力计算出环向拉力，最后通过验算承载能力和裂缝，计算出所需的预应力筋间距（计算过程略）。

由于贮料压力由下往上逐渐减小，因此预应力筋的间距也自下而上逐渐加大。为方便施工，设计时分段对预应力筋的间距进行了归并计算，具体为：标高＋6.40～＋11.90 m，间距360 mm；标高＋11.90～＋17.40 m，间距400 mm；标高＋17.40～＋22.90 m，间距480 mm；标高＋22.90～＋28.40 m，间距700 mm；标高＋28.40～＋31.50 m，间距1 000 mm。另外，标高＋31.49～＋34.00 m范围内为顶部环梁，无明显破坏，经检测鉴定不需要加固。

5 仓壁体外预应力加固施工

5.1 体外预应力加固前的准备

对筒仓进行体外预应力加固前，首先应依据设计图纸及设计要求绘制预应力筋立面展开图，对人孔洞口合理避让，并将洞口范围内的预应力筋均分布置于洞口上下。

仓壁裂缝进行灌注结构胶的加固处理，清理保护层剥落的缺陷混凝土并用高强灌浆料对破损孔洞封闭补强。

5.2 体外预应力加固施工

连体筒仓体外预应力加固施工的关键是预应力筋能否顺利穿过筒仓连接部位并对仓壁施加上有效预应力。

5.2.1 采用主、副孔解决连体部位预应力孔道的成孔难题

本项目四连体筒仓连接部位达4.5 m，为使预应力筋能顺利穿过连接体并紧贴仓壁，需在连接体部位沿着各自仓壁切线开孔，这样开孔数量较多，对连接体的混凝土损伤较大。后经试验，决定采用预应力主、副孔方案。施工时，先在连接部位正中间采用配备特制钻头的取芯机钻出一个长4.5 m的大直径主孔，然后在主孔左右沿着两侧仓壁切线分别钻出小直径斜向辅助孔与主孔正中贯通，最后通过两头的斜向辅助孔及主孔完成预应力筋的穿束（图5）。

图5 仓壁连接处开孔

5.2.2 利用导向绳完成预应力筋穿束

由于预应力孔道为折线且两侧预应力筋共用一个主孔，因此在预应力筋穿束前应预先布置导向绳，预应力筋在导向绳的牵引下顺利穿过各自副孔，导向绳可避免出现穿错副孔情况，并大大提高穿束准确性，降低穿束难度。

5.2.3 穿束后采取临时固定措施，减小预应力筋张拉损伤及安全隐患

为了在张拉前临时搁置体外预应力束，在预应力筋穿束前应在仓壁上每隔2～3 m钉上水泥钉，预应力筋穿束后与水泥钉临时绑扎固定，水泥钉待预应力筋张拉后清除。同一排水泥钉应在同一个标高上，从而保证预应力筋张拉前的平顺，同时避免预应力筋张拉时较大的错动对预应力筋和仓壁产生的损伤。

5.2.4 利用连接体部位设置张拉端

张拉端的设置可以在仓壁合适部位重新浇筑混凝土壁柱予以解决，这样的好处是各段预应力筋的长度可以大致相等，利于设计配筋。但是新增张拉壁柱需要沿仓壁支模、浇混凝土，工期较长，且影响仓壁美观。后经过现场测量并经过计算，决定将张拉端设置于仓体连接部位，这样可以大大减小施工难度，同时经过适当处理，基本不影响筒仓原有外观。张拉端留设示意见图6。

图6 仓壁连接处张拉端留设示意

5.2.5 体外预应力筋张拉及防腐处理

1）张拉端防腐处理：采用高强灌浆料封闭主孔和辅助孔，并对外露的锚具、锚垫板进行封闭处理。

2）体外预应力筋防腐处理：采用防腐涂料对整个筒仓外壁及体外预应力筋进行喷涂处理。

图7为体外预应力加固后整修一新且正在使用中的四连体水泥筒仓。

图7 加固后的四连体水泥筒仓

6 结语

1）体外预应力技术用于连体筒仓加固，现场几乎没有湿作业，对原结构的影响也较小，在加固期间，水泥生产线仍在维持生产，只是对正在加固的筒仓适当降低了库容。在以后的工程应用中，若能对仓壁结构进行更为详尽的检测、鉴定，精确计算出安全库容，则体外预应力加固施工对水泥生产的影响会更小，也更科学。

2）采用更佳的成孔方法，提高成孔速度和质量，简化施工脚手架，预应力筋采用机械穿束等都可缩短施工工期，提升经济效益。

3）受损连体筒仓仓壁的加固应依据检测鉴定报告及实际使用情况具体分析，采取适宜的加固方法。