烏江渡發電廠主變承重倒板梁結構裂縫成因研究與分析

田 雷，劉海力，高峻驍，徐 旭

1.烏江渡發電廠，貴州 遵義 563112

2.中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014

烏江渡發電廠經過40多年的運行，目前已在一號廠1#～3#主變壓器承重倒板梁結構的油槽底板及倒梁上發現了不同程度的裂縫。經現場調查和結構檢測，共發現有39條裂縫，裂縫基本分布在變壓器油槽底板上，少量延伸至倒梁底部，其中1#～3#主變油槽底板裂縫分別有11條、6條、15條，梁上裂紋分別有3條、2條、2條。所有裂縫深度均較淺，深度為15～25mm，均在鋼筋保護層以內，僅有#1-2、#1-11、#2-5裂縫的寬度為0.25mm，屬于B類裂縫；其余裂縫寬度均小于0.2mm，屬于A類裂縫。文章根據裂縫調查及結構檢測的結果，研究分析主變承重倒板梁結構裂縫的成因，以確保主變承重倒板梁結構的運行安全。

1 裂縫成因研究與分析

工程中混凝土結構裂縫形態各異，產生的原因也錯綜復雜。根據裂縫產生的不同原因，工程中將混凝土結構裂縫分為承載受力裂縫、溫度-收縮裂縫、強迫位移裂縫、結構構造裂縫、施工裂縫、裝配裂縫、裝飾性裂縫、耐久性裂縫以及偶然作用裂縫等類型。一號廠1#～3#主變壓器的油槽底板及倒梁結構均為現澆鋼筋混凝土，綜合上述各類型裂縫產生的原因和工程現場實際情況，文章僅從機組振動影響、結構承載受力、強迫位移、溫度-收縮及耐久性等可能產生裂縫的原因著手，進行裂縫成因分析研究。油槽底板及倒梁現場裂縫如圖1所示。

圖1 油槽底板及倒梁裂縫現場

1.1 機組振動影響

為了解機組振動對主變倒板梁結構裂縫的影響，對主機間2#機組樓面、1#主變室樓面和2#主變室樓面分別布置1個測點進行振動測試。通過數據采集和處理，獲得機組不同啟停組合情況下樓面振動的峰值速度、峰值位移及峰值加速度，如表1所示。振動測試工況分別為2#機組瞬時啟動工況、3臺機組同時運行工況以及2#機組瞬時關閉工況。其中，2#機組處于瞬時啟動與瞬時關閉工況時，1#、3#機組均保持正常運行狀態。

表1 不同工況下樓面測點的速度峰值、加速度峰值及位移峰值情況

由表1可知，由于測點距離機組振源越近，測點的樓板振動越強。3種工況下的樓板振動速度峰值為0.0611cm/s，遠小于“建筑物基本沒有損壞”時的允許值（0.5cm/s）；樓板振動位移峰值為0.0149mm，遠小于建筑結構破壞位移標準（0.406mm）；樓板振動加速度最大值為0.0768m/s2，滿足“加速度響應不大于0.102g時，結構處于安全范圍”的規定。綜上所述，機組的振動不會導致主變倒板梁結構樓板發生破壞開裂。同時，根據振動測試數據計算得到的樓面振動主頻率為4.56Hz，與采用三維有限元模態分析得到的主變承重倒板梁結構前三階自振頻率不會產生結構共振現象，前三階自振頻率分別為3.464Hz、7.788Hz及7.83Hz。因此，機組振動的影響不是主變倒板梁結構油槽底板及梁上裂縫產生的原因。

1.2 結構承載受力

結構直接承受荷載作用而產生的裂縫可根據受力狀態分為受彎裂縫、受拉裂縫、受壓裂縫、受剪裂縫、受扭裂縫以及局部承壓裂縫。樓板和梁是常見的受彎構件，因此通過結構承載力復核可判斷油槽底板及倒梁的裂縫是否因配筋及鋼筋強度不足等導致在結構底部產生受彎裂縫。計算分別采用ANSYS三維有限元軟件與PKPM軟件進行計算比較，其中有限元計算模型共劃分為203349個節點、159616個單元，計算模型如圖2所示。主變倒板梁油槽底板及倒梁計算配筋與實際配筋對比如表2所示。

圖2 三維有限元計算模型網格劃分圖

表2 配筋成果對比

由表2可知，油槽底板及倒梁的承載能力滿足設計要求，裂縫非結構承載力不足而引起。

1.3 強迫位移

強迫位移作用以地基不均勻沉降和地震作用造成的慣性位移為主，結構構件各部分強迫位移的差異即造成了構件的混凝土約束變形，導致強迫拉應變從而產生裂縫。烏江渡發電廠為壩后式廠房，大壩壩基位于基巖上，地基不均勻沉降的可能性小，同時工程所處地區基本烈度小于6度，因此強迫位移作用非主變承重倒板梁結構裂縫產生的原因。

1.4 溫度-收縮

混凝土在凝固過程中不可避免會發生體積收縮，同時在溫差作用下也會產生體積膨脹與收縮，兩者均會使混凝土處于受約束的狀態而無法自由伸縮變形，從而產生約束內應力，最終形成裂縫。烏江渡發電廠始建于20世紀70年代，受當時技術管理水平、經濟實力和施工設備落后等因素的限制，施工過程中的混凝土溫控、振搗、養護等技術手段都無法達到現有施工水平，因此，混凝土的收縮和溫差作用是主變承重倒板梁結構裂縫形成的原因之一。

1.5 結構耐久性

隨著時間的推移，在外部環境的作用下結構混凝土性能會降低，從而導致耐久性變差，產生裂縫。常見耐久性裂縫為干濕-凍融循環作用裂縫和鋼筋銹脹裂縫，而烏江渡發電廠主變承重倒板梁結構混凝土處于室內環境，由于干濕-凍融環境出現的可能性小，可知干濕-凍融作用不是主變承重倒板梁結構裂縫產生的原因。主變承重倒板梁結構混凝土齡期長，已遠超過2000d，因此碳化作用對混凝土的影響較大。經檢測，混凝土的平均碳化深度為5mm，均在梁與板的保護層厚度范圍內。同時，外觀調查以及鋼筋銹蝕程度檢測結果表明目前混凝土內鋼筋基本未銹蝕，產生銹脹裂縫的可能性小，而由目前發現的裂縫可知，裂縫深度一般為15～25mm，已穿透保護層，因此不排除局部碳化較深導致鋼筋銹蝕的可能性。

2 結構安全評價

根據主變承重倒板梁結構檢測的結果，裂縫及碳化深度均在梁與板的保護層厚度范圍內，混凝土強度平均值為40.68～44.11MPa，檢測結果滿足規范和設計要求。同時，通過三維有限元及PKPM計算得到的倒板梁結構配筋均小于結構的實際配筋，表明結構的承載能力滿足要求，因此結構是安全的。但需對發現的淺層裂縫進行封閉處理，以防止裂縫擴展。

3 結束語

文章以烏江渡發電廠主變倒板梁結構為研究對象，進行了裂縫調查和結構檢測，研究了機組振動對主變倒板梁結構的影響，分析了裂縫產生的原因并進行了結構的安全性評價，得出了裂縫產生的原因，論證了主變倒板梁結構的承載能力可以滿足設計要求，為烏江渡水電站的正常運行提供了技術支撐。