筒仓结构整体破坏的几种可能

1、筒仓结构整体破坏的几种可能      20xx年x省某水泥厂60m高生料均化库“爆炸”,20xx年x市某水泥厂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忧，“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逼。    20xx年，x省某日产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。20xx年，x市某水泥厂60m高均化库倒塌，接近高速公路中断，窑

2、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，监理等相关方连忙绽开调查。不少业主因此担忧，“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

3、大于反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。物料重量根据库壁圆周单位面积以重力荷载输入，结构自重自动计算。物料水平压力根据每8m分段计算后输入。除重力荷载和仓体水平压力，模型还同

4、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） joint outputcase casetype u1 u2 u3 text text text mm mm mm 1152 comb1 combination 0 0 -15.423572 1153 comb1 combination 0 0 -15.277061 1154 comb1 combination 0 0 -15.

5、156762 1155 comb1 combination 0 0 -15.104003 1156 comb1 combination 0 0 -15.118924 1157 comb1 combination 0 0 -15.19362 1158 comb1 combination 0 0 -15.323747 1159 comb1 combination 0 0 -15.50952 1160 comb1 combination 0 0 -15.723234 1161 comb1 combination 0 0 -15.785961 1162 comb1 combination 0 0 -1

6、5.153861 1163 comb1 combination 0 0 -13.85638 1164 comb1 combination 0 0 -14.569513 1165 comb1 combination 0 0 -15.840982 1166 comb1 combination 0 0 -15.934998 1167 comb1 combination 0 0 -15.144679 1168 comb1 combination 0 0 -14.943134 1169 comb1 combination 0 0 -15.414919    从筒仓应力图及支

7、座位移表分析，支座位移匀称，各桩基能匀称受力，结构沉降较小。仓体部分最大张应7mpa，掌握水平张力需要水平钢筋（二级钢筋），此时仓壁平均裂缝在0.18mm左右，仅比肉眼能够辨别的大小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微小，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

8、用，强度更有保障。    明显，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，反抗地基不匀称沉降的弹性好。这类基础施工采取大面积开挖，整个地基被揭露出来，可以直观推断地基的状况，筒仓因为地基问题发生整体破坏的可能性微小，除非产生更大范围的地基整体失效，如大型滑坡。    当地基持力层以上脆弱掩盖土层厚度较大时，筒仓一般采用桩基础。由于筒

9、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） joint outputcase casetype f1 f2 f3 text text text n n n 1152 comb1 combination 85836.97 -420xx.05 21068598.85 1153 comb1 combination 47503.47 -62834.4 20868465.98 1154 comb1 combination 44420.81 -9892.97 20704136.68

10、 1155 comb1 combination 37830.63 41529.65 20632067.96 1156 comb1 combination 19832.27 62139.95 20652449.58 1157 comb1 combination -4533.27 37621.11 20754485.4 1158 comb1 combination -24906.64 -42717.23 20932239.05 1159 comb1 combination -34128.35 -159173.02 21186004.4 1160 comb1 combination -67307.0

11、9 -205450.83 21477937.62 1161 comb1 combination -230719.13 63011.75 21563623.2 1162 comb1 combination -564856.2 796543.01 20700174.33 1163 comb1 combination -113417.7 514236.47 18927815.37 1164 comb1 combination 1026491.28 -597778.05 19901954.74 1165 comb1 combination 446166.12 -445665.57 21638781.6

12、7 1166 comb1 combination -392870.98 -300832.66 21767207.78 1167 comb1 combination -636393.82 -220xx4.67 20687632.08 1168 comb1 combination 142688.97 361357.36 20412320.55 1169 comb1 combination 218362.68 209940.15 21056779.99    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

13、个构件上，假如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，或其它不良地质状况，均可能造成桩体破坏进而导致结构整体倒塌。    首先从不良地质状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，牢靠，基础简洁，经济。多数状况下，这种直觉是正确的。然而，由于岩石是非匀称的物质，基岩分布状况，脆弱面构造，走向，倾斜，边坡，溶蚀，裂隙等，打算了岩体结构异常复杂。而基岩一般埋藏在土体深处，完整、精确推断岩石的详细状态并不简单。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

14、方法可以明确推断场地范围内基岩的整体外貌以及岩体内部溶蚀裂隙和脆弱面的详细分布，导致结构基础设计所依靠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逼。    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四周，基岩存在脆弱结构面。    这种脆弱结构面假如分布不普遍，地勘钻孔假如刚好不在该结构面处，则很难发觉。就算没有脆弱面，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，地勘明确推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觉基岩面标高有

15、突变，具体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详细位置和走向。假如结构物因为工艺布置不能远离基岩凌空面，应将桩基底部标高掌握在能满意基岩边坡稳定的标高。 基岩凌空脆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。    这种状况一般从地勘资料能够推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。基岩面陡峭状况还应留意桩间距与桩底高差的关系，应依据地勘报告要求

16、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    岩溶地区的桩基危急性极高，具体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范围内的地质状况。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，对全部桩底进行地质勘察是肯定必要的。 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，脆弱土层较厚，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

17、料不够精确，施工设备局限，桩底沉渣清理不完全，或混凝土浇筑过程中塌孔，漏浆等原因，导致部分或全部桩基存在质量缺陷。而目前绝大多数地区桩基质量检查规定只对桩基采用抽样检查，极有可能漏掉存在质量隐患的桩基。依据本模型，假设单桩竖向承载力特征值为2200吨。计算显示，当局部桩基失效后，由于基础和上部结构的刚度大，基底反力传递给相邻桩基。依据桩基设计，当单桩荷载标准值超过其设计承载能力两倍时可能达到破坏极限状态。即当桩顶压力接近或超过4400吨时，桩基极有可能发生破坏。计算显示，当仅一根或两根桩失效时，相邻桩基荷载增加幅度尚不能达到破坏极限状态。当1165,1166,1167三根桩同时失效后，相邻桩基

18、1164,1168号桩反力接近极限。当1164,1165,1166,1167四条桩失效后，相邻两个桩11631168竖向反力分别达到4327吨和4533吨，接近或大于极限破坏状态。从支座位移表看出，当三个或四个桩基失效后，失效桩基的竖向下沉量不超过50mm，结构整体倾斜尚不明显，肉眼甚至无法推断结构已经倾斜。然而此刻数个桩基已经失去工作能力，随着仓内物料不断增加，时间不断推移，紧接着导致失效桩基接近两个或多个桩反力急剧增加，并很快达到破坏极限状态，从而失去承载能力。这样，结构桩基极有可能在短时间内势如破竹一般一个接着一个发生破坏，从而导致上部结构整体倒塌。这种状况更具有隐藏性，从表面看是由于“

19、人力所不及”所造成的灾难。只有加强施工过程监控及竣工验收质量检查才能完全避免此类事故发生。 三个桩失效后支座反力表（f3为竖向反力） joint outputcase casetype u1 u2 u3 text text text mm mm mm 1152 comb1 combination 0 0 -21.224864 1153 comb1 combination 0 0 -18.127689 1154 comb1 combination 0 0 -15.34203 1155 comb1 combination 0 0 -13.185333 1156 comb1 combination

20、0 0 -11.873083 1157 comb1 combination 0 0 -11.531689 1158 comb1 combination 0 0 -12.199946 1159 comb1 combination 0 0 -13.827384 1160 comb1 combination 0 0 -16.229438 1161 comb1 combination 0 0 -18.910009 1162 comb1 combination 0 0 -20.815496 1163 comb1 combination 0 0 -22.082821 1164 comb1 combinat

21、ion 0 0 -26.947547 1165 comb1 combination 0 0 -35.705038 1166 comb1 combination 0 0 -37.379988 1167 comb1 combination 0 0 -34.969251 1168 comb1 combination 0 0 -27.18305 1169 comb1 combination 0 0 -24.203466 四个桩失效后支座反力表（f3为竖向反力） joint outputcase casetype f1 f2 f3 text text text n n n 1152 comb1 comb

22、ination -716252.31 44958.72 31427468.15 1153 comb1 combination -314725.25 389307.78 24720565.17 1154 comb1 combination -33559.98 883403.55 19016890.69 1155 comb1 combination 73449.87 1304075.2 14943881.46 1156 comb1 combination 48790.43 1514251.07 12903438.2 1157 comb1 combination -20214.02 1458530.

23、65 13086277.14 1158 comb1 combination -41304.09 1134570.28 15471311.75 1159 comb1 combination 55270.68 636989.96 19826333.49 1160 comb1 combination 239790.25 250796.9 25648808.37 1161 comb1 combination 377764.15 425019.19 31933628.53 1162 comb1 combination 739069.02 830972.73 37188770.86 1163 comb1

24、combination 3279954.31 -1374585.22 43278543.29 1164 comb1 combination 4132354.35 -2494164.16 442067.57 1165 comb1 combination 1007685.75 -967599.36 493394.32 1166 comb1 combination -1279441.28 -849711.94 491567.15 1167 comb1 combination -3490936.93 -1925782.3 444477.23 1168 comb1 combination -282072

25、3.29 -1189546.11 45334717.85 1169 comb1 combination -1236971.66 -71486.93 38280534.01 四个桩失效时支座位移表（u3为竖向位移） joint outputcase casetype u1 u2 u3 text text text mm mm mm 1152 comb1 combination 0 0 -23.006931 1153 comb1 combination 0 0 -18.097046 1154 comb1 combination 0 0 -13.921589 1155 comb1 combinati

26、on 0 0 -10.939884 1156 comb1 combination 0 0 -9.446148 1157 comb1 combination 0 0 -9.579998 1158 comb1 combination 0 0 -11.325997 1159 comb1 combination 0 0 -14.514153 1160 comb1 combination 0 0 -18.77658 1161 comb1 combination 0 0 -23.377473 1162 comb1 combination 0 0 -27.224576 1163 comb1 combination 0 0 -31.682682 1164 comb1 combination 0 0 -44.206757 1165 comb1 combination 0 0 -49.339432 1166 comb1 combination 0 0 -49.156715 1167 comb1 combination 0 0 -44.447723 1168 comb1 combination 0 0 -33.187934 1169 comb1 combination 0 0 -28.023817 四个桩失去功能后库壁压应