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震后某烟囱倒塌原因及有限元分析

震后某烟囱倒塌原因及有限元分析

 

                                          

0 引言
2008 年5 月12 日14 时28 分,我国四川汶川发生了一次历史罕见的8.0 级特大地震,最大烈度达到11 度。此次强震造成了约7 万人死亡,650 多万间房屋倒塌,2300 多万间房屋损坏,道路、桥梁等基础设施损毁严重,对我国经济、社会造成了巨大影响。西安属Ⅵ度地震烈度异常区,但西安地区各处房屋仍出现了不同程度的损坏,数十台塔机发生严重损毁。其中,西安西郊某供热有限公司锅炉房烟囱受此次地震的影响,在约78m 高度处发生折断倒塌。
1 工程概况
烟囱抗震设防烈度为8 度,设计建筑结构使用年限为50 年。该工程于2007 年4 月开工,至汶川5.12日地震,烟囱主体已完工8 个月,尚未投入使用,受汶川地震影响,于2008 年5 月12 日下午2 时28 分烟囱筒壁在约78m 高度处倒塌(图1)。灾难发生后,供
热有限公司及施工单位、监理单位立即组织有关人员进行现场察看,取证分析,并委托西安建筑科技大学建(构)筑物检测鉴定站对该烟囱灾后残存部分进行了检测鉴定,对倒塌原因进行分析。
2 检测鉴定
2.1 检测概况
本次检测鉴定范围为钢筋混凝土基础及筒壁残余部分。该工程混凝土强度设计等级为:基础垫层C15,基础承台C35,基础环壁C40,筒壁60m以下C35,60m 以上C30。钢筋级别为Q235,Q335。基础钢筋连接为焊接,筒壁钢筋连接为套筒直螺纹连接。工程设计钢筋的混凝土保护层厚度为基础承台上部及基础环壁为40mm,筒壁环向钢筋的混凝土保护层,内外侧均为30mm。基础环壁的环向钢筋间距为200mm,环壁外侧上端纵向钢筋间距设计值为98mm。基础取样检测:现场对基础底板、基础环壁和筒壁采用钻芯取样法进行混凝土强度检测,沿基础选出四个取样区,基础底板部分取样7 个,环壁取样4 个。筒壁取样检测:根据施工资料0~20m 高度为商品混凝土浇筑,20m 以上为人工混凝土浇筑,所以对其强度进行分段评定。筒壁0~20m 取芯8 个,20~30m 取芯3 个,40m 以上筒壁顶部残留混凝土因倒塌作用及部分拆除影响,对其造成挤压、拉伸,强度影响较大而未取芯检测。同时对基础及筒壁钢筋的混凝土保护层厚度及钢筋间距、钢筋质量、筒壁裂缝和垂直度进行了检测。震后某烟囱倒塌原因及有限元分析
2.2 基础检测结果
2.2.1 混凝土强度检测结果
依据国家标准《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS 03:2007),对该工程基础及环壁部分进行钻芯取样,取样位置环绕基础及环壁外边缘均匀分布. 芯样直径为100mm。芯样外观一般,粗细骨料搭配合理,较密实,部分芯样有小气孔。根据试验结果,基础部分混凝土强度推定值为8.5MPa,达到或超过设计强度等级C35;环壁部分混凝土强度推定值为44.3MPa,达到或超过设计强度等级C40,因而基础及环壁混凝土抗压强度满足设计要求。同时在芯样的端部进行了混凝土碳化测试,其碳化深度在1~3mm,属正常状态。
2.2.2 钢筋保护层厚度及钢筋间距检测结果
现场对该工程的基础及环壁钢筋间距、保护层厚度进行了检测,采用瑞士产Profometer-5s 型钢筋保护层测试仪,所检区域钢筋保护层厚度检验的合格点率为91.4%,满足规范要求,环向钢筋间距在196~205mm,设计间距为200mm。基础承台上部因有50mm 左右砂浆找坡层,使钢筋的保护层净距增加,超出仪器的检测范围,因而采用在钻取的芯样上或在洞壁处直接量测净保护层厚度,量测的6 个数据分别为45,47,35,42,39,46mm,均满足规范要求(设计保护层为40mm)。
2.3 筒壁检测结果
2.3.1 混凝土强度检测结果对该工程筒壁部分进行了钻芯取样,取样位置沿筒壁南北方向两侧不同高度分布。芯样直径为100mm。
根据试验结果,筒壁0~20m 混凝土强度推定值为43.5MPa,达到或超过设计强度等级C35;筒壁20~30m 混凝土强度推定值为42.7 MPa,达到或超过设计强度等级C35,因而筒壁30m 以下混凝土抗压强度满
足设计要求。同时在芯样的端部进行了混凝土碳化测试,其碳化深度在1~3mm,属正常。
2.3.2 钢筋保护层厚度及钢筋间距检测结果
依据《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204-2002),现场对该工程的筒壁钢筋间距、保护层厚度进行检测,所检区域钢筋保护层厚度检验的合格点率为91.5%,满足规范要求,环向钢筋和纵向钢筋间距基本满足设计要求.
2.3.3 筒壁钢筋力学性能检测
筒壁使用的钢筋为HRB335 级钢筋,在烟囱倒塌部分现场抽取了五个规格的钢筋试样和三个规格的钢筋套筒连接试样,经检验所用钢筋的力学性能和机械连接性能分别符合《钢筋混凝土用钢第二部分热轧带肋钢筋》(GB1499.2-2007)、《钢筋机械连接通用技术规程》(JGJ107-2003)标准,钢筋质量及连接性能合格。
2.3.4 筒壁裂缝检测
0~30m 筒壁外表面只有杂乱无章的干缩裂缝,在弹性阶段,结合面的剪应力和法向拉应力主要是靠结合面两边新老混凝土的粘结强度承担,开裂后至极限状态,则主要是通过贯穿结合面的锚固钢筋或锚固螺栓所产生的被动剪切摩擦力传递。新老混凝土在结合面的发生的破坏主要有以下3 种情况:1)由于垂直于结合面的拉应力过大,结合面产生张拉破坏;2)由于平行于结合面的剪应力过大,沿结合面产生滑动剪切破坏;3)前二者兼而有之。因此新老混凝土的界面粘结质量是该烟囱质量的关键点,且处理后新老混凝土之间能否很好地协同工作在很大程度上取决于新老混凝土界面粘结性能,新老混凝土粘结不好对工程质量和耐久性造成很大的影响,也造成很大的安全隐患。甚至粘结面会出现裂缝,出现“两层皮”现象,而使新补混凝土很快产生裂缝和剥落,影响了补强效果和工程耐久性,使整体结构的使用功能和安全性再次受损。工程在出现非正常施工缝的情况下仅采取在接缝处将混凝土凿毛、钢筋除锈等措施进行处理,这样的处理方法对于解决好新老结构的整体工作和共同受力问题显然是不足的,导致该接缝处成为烟囱整体的最薄弱截面。
3.2 汶川地震的影响

汶川地震的特征是震源浅,破坏性大,震源深度仅10~20km,属内陆浅源地震,对建筑物的破坏特点是颠、摇、扭,其上下颠簸的力量和水平摇摆、左右扭转的幅度都很大,这三种力往往会一起作用于建筑物从而形成更大的破坏力。烟囱为150m 高的钢筋混凝土烟囱,属高耸结构,其自振周期较长。汶川强大的地震波至西安后,其长周期的成份非常明显,与该烟囱的自振周期相接近,使其产生共振效应,从而使烟囱的地震响应非常强烈。首先竖向作用的地震波产生的竖向地震力足以使停工缝处的混凝土拉裂而产生水平裂缝,接着横向作用的地震波产生强大的水平地震力使烟囱在薄弱环节(停工缝)处发生剪切滑移,并在水平地震力产生的倾覆力矩作用下使烟囱在停工缝处拦腰折断而倒塌。综上所述,非正常施工缝是烟囱倒塌的内在因素,而地震是烟囱倒塌的外在因素。
4 有限元分析
4.1 模型选取
分层壳单元基于复合材料力学原理,将一个壳单元分成很多层,每层根据需要设置不同的厚度和材料,材料一般包括钢筋或者混凝土等。分层壳单元考虑了面内弯曲-面内剪切-面外弯曲之间的耦合作用,比较全面地反映了壳体结构的空间力学性能。清华大学利用分层壳单元建立了有限元模型,并与试验模型进行30m 以上除有杂乱无章的干缩裂缝外,在筒壁南侧40m 处发现一条环向裂缝,宽度约为0.2mm,在该处钻芯探测时发现裂缝已发展至筒壁内部,初步判断该裂缝是在地震作用时所形成. 在筒壁南侧45m 处也发现一条环向裂缝,宽度最大约为0.4mm,该裂缝也是与地震作用有关。
2.3.5 筒壁垂直度测量结果
本次测量使用日产索佳SET230RK 型全站仪,对残存烟囱全高及垂直度进行了测量。测量结果表明,该烟囱48m 高度以下满足国家现行规范要求,48m 高度以上由于上部筒壁倒塌时的弯曲作用产生局部倾斜,因而造成残存筒壁顶点倾斜5.0‰。
3 烟囱倒塌原因分析
从对烟囱灾后残存筒壁和基础的检测结果看,工程所用主材的性能和技术指标均满足国家规范及设计要求,并无明显的施工质量问题。经对整个施工过程的详细调查和倒塌时间分析,认为有以下两个原因。
3.1 非正常施工缝的影响
工程是西安市集中供热规划的重点项目,也是西安市重点建设项目,距供热时间间隔较短,因而工期紧,任务重。但由于客观原因,使得该工程在中期停工长达两个月,也使在烟囱中部(78m 标高)留下了非正常的施工缝。结构在受力过程中,新老混凝土结合面会出现拉、压、弯、剪等各种复杂应力,其中主要是拉力和剪力。

了对比分析,结果表明利用分层壳模型,可以较好地模拟钢筋混凝土结构在地震作用下的弹塑性抗震行为,有着较高的实用性和计算精度。利用结构通用有限元软件SAP2000,使用分层壳单元模拟烟囱筒壁的混凝土及环向和竖向钢筋。考虑到施工缝截面新老混凝土的界面粘结质量较差,将此层混凝土强度定义偏弱,尽可能模拟实际情况。
4.2 模态分析
输出结构的自振周期和自振频率见表1。从表中可以看出,在前3 阶振型中,自振周期非常大,频率很低。由于西安距离四川汶川有将近600km,受这种远震的低频地震波的影响相对较大,尤其是这种高耸的烟囱,由于极易发生共振效应,其振动也较为强烈。模态周期和频率 表1阶数 周期/s 频率/Hz 圆频率/rad/s
1 2.761 0.362 2.275
2 2.761 0.362 2.275
3 0.614 1.630 10.238
4 0.248 4.034 25.345
5 0.136 7.335 46.087
6 0.088 11.322 71.138
7 0.060 16.688 104.850
8 0.033 30.631 192.460
4.3 反应谱分析
结构阻尼比取0.05。由于结构的X 方向尺度与Y方向相同,而第1 振型为一阶横向平动,故取X 方向的地震力起控制作用。考虑到现实情况,计算中设计基本地震加速度值取0.05g。按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)6 度抗震设防烈度标准,多遇地震取地震影响系数最大值0.04。模型所取前8 个振型,其振型质量累计参与系数满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)中5.1.13 条规定:计算振型数
应使振型参与质量不小于总质量的90%。故在采用振型分解反应谱法分析时,只取前8 个振型进行计算,求出各振型的作用效应,用SRSS 方法进行组合,得到烟囱的地震作用效应。进行反应谱分析时,通过分层壳内力图(图2)可以看出,位于78m 左右的新老混凝土粘结处,混凝土受拉应力最大,烟囱中部截面所承受的水平地震作用也是最大的,而此处正是烟囱施工缝新老混凝土的结合面,即最大薄弱面。而模态分析中,前3 个振型在80m 处的位移变形最大,如图3 所示。由于连接界面较弱,竖向拉力作用下,产生水平裂缝,然后在水平剪力作用下,发生滑移,从而拦腰折断。

5 结论与建议
(1)经检测鉴定,工程所用主材的性能和技术指标均满足国家规范及设计要求,无明显的施工质量问题。
(2)经对整个施工过程的详细调查以及检测结果的分析,得出烟囱倒塌原因为:1)因停工而形成非正常施工缝,且在新老混凝土接缝处未经过合理、安全的处理,造成安全隐患;2)汶川8.0 级特大地震的发生并影响了西安是烟囱倒塌的直接原因。
(3)模态分析结果表明,烟囱周期在前3 个振型下周期较大,很有可能和汶川传至西安的长周期地震波产生共振,加重烟囱的地震反应。
(4)反应谱分析结果验证了烟囱的最大薄弱面为新老混凝土结合处,即非正常施工缝所在处。为了避免此类事故的发生,建议:
(1)应尽量避免类似大型结构工程的混凝土二次浇注,减少安全隐患的出现。如特殊原因造成此类施工缝的出现,在新老混凝土结合面处的技术处理上除了采取将混凝土凿毛、钢筋除锈等措施外,还应做进一步的加固处理。

(2)此次烟囱倒塌事故是由多方面因素综合引起的,地震的发生只是诱因。由于停工而造成施工缝出现以及二次施工措施欠妥是人为因素,这是可以避免的。因此,在今后工程中要对设计、施工以及管理的各个环节严格把关,以防类似事故的再次发生。

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