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特种结构——烟囱加固

特种结构——烟囱加固

1引言

砖烟囱形式多为圆形、方形、带水箱等。由于砖烟囱抗震能力较差, 所以在多次的破坏性地震中震害相当严重。我国目前许多老旧砖烟囱仍在继续使用, 依据抗震防灾的要求, 需对各类砖烟囱进行可靠性分析, 从而对不同烈度区及不同高度的砖烟囱采用相应的加固方案。故对各类砖烟囱进行破坏形式和规律进行研究, 提出对砖烟囱进行可靠性分析的基本方法,建立砖烟囱抗震加固的措施设计框架是亟待解决的问题。

近年来,工程领域已普遍采用纤维增强复合材料对结构构件进行加固修复和翻新。该加固技术是将碳素纤维应用于土木工程,利用树脂类黏结材料把碳纤维粘贴于结构或胖表面,形成复合材料体,通过与结构或构件的协同工作,达到对结构构件补强加固及改善受力性能的目的。该技术适用范围广、加固效率高、施工速度快、施工干扰小、质量易保证、附加荷载轻、应用时效长、综合造价低,相对于传统的加固方法有着无与伦比的优势。但由于碳纤维具有负的热膨胀系数,与被加固构件热膨胀系数差异较大,加固时需注意考虑温度效应的影响。烟囱经多年使用后,由于内表面温度高于外表面,筒壁外表面常常出现垂直裂缝,裂缝宽度往往数倍于规范限值。对有裂缝的烟囱,要进行加固处理。

2砖烟囱震害及加固

砖烟囱震害

依据我国多次地震的调查资料, 砖烟囱的破坏情况可以分为以下几种: 1. 水平裂缝。水平裂缝在多次地震中约占破坏总数的一半,如唐山及海城地震时还超过了一半;2.多条环缝。砖烟囱在地震时出现多条裂缝的现象是很多的,如海城及唐山地震, 出现十余条甚至更多条环形裂缝的现象相当普遍,环缝一般都出现在烟囱的中上部;3.错位现象。错位处常为水平缝, 极少数为斜缝, 错位多数发生在烟囱的中上部, 但也有发生在根部的; 4.阶梯形斜缝。斜缝的数量与水平缝的数量基本上相等;5.酥裂。地震时有少数的砖烟囱发生局部酥裂;6.扭转。有个别的圆形砖烟囱在地震时曾发生扭转斜裂缝, 多数是出现平缝后上部旋转一角度, 但以方形砖烟囱最为明显;7.竖缝。竖缝的出现往往是由于温度的关系在地震前即已出现, 地震加剧了竖缝的长度及宽度, 也有一些竖缝是地震时才出现的, 但温度因素是其出现竖向裂缝的基础;8.顶部破坏。有些砖烟囱仅在顶端掉砖或裂开, 别处均无破坏。

砖烟囱可靠性分析

参考我国“工业厂房可靠性鉴定标准”编制组所发表的有关资料, 本文认为可将砖烟囱可靠性分为承载能力、裂缝程度、变形状况及其它项进行评定, 每项又可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ个等级。对于裂缝程度和变形状况来说,Ⅰ级为烟囱结构完好, 即烟囱结构基本上没有出现裂缝及变形;Ⅱ级为较好, 即烟囱结构虽产生裂缝或出现变形,但不影响正常使用;Ⅲ级为较差,即烟囱结构产生的裂缝及变形直接影响到烟囱本身的功能和正常使用,但经修复加固,仍可使用一定年限; Ⅳ级为很差,即烟囱结构破损严重,已导致承载能力不能满足要求, 无法修复或修复费用过大,应予拆除。对于承载能力,可根据验算结果与设计规范的要求进行比较从而定出相应的等级。验算中当设计烈度为7 度时,可仅考虑水平地震荷载作用; 当设计烈度为8度和9度时,应同时考虑水平与竖向地震荷载作用, 竖向地震荷载可分别取烟囱结构自重的10%和20%,并应考虑上下两个方向的作用, 择其最不利情况。

加固措施探讨

对砖烟囱进行抗震加固,使它能够抗御预计的较大地震,但这些措施显然要求尽可能满足两个条件: 即有效与经济。如果二者不可兼得,则对于不同类型的砖烟囱将有不同的侧重。关于抗震措施,主要是要根据理论分析及结合实际情况进行选择, 首先必须弄清它的破坏机理与受力状况,然后才能提出较好的抗震措施。为增强砖烟囱的抗震性能,可对砖烟囱采取加配竖向钢筋的办法,以防止烟囱掉头而破坏其他设备或伤人,故可在烟囱周围配置多根竖向钢筋,上端锚固于压顶圈梁,下端固定于烟囱根部,且在烟囱下端外侧变截面的地方,用环箍将竖筋箍紧,使竖筋曲折然后沿竖筋高度方向焊上若干环筋。对于老旧砖烟囱的抗震加固,也可采用钢筋混凝土框架结构形式,即用钢筋混凝土立柱和环向梁来处理。另外由分析可知砖烟囱受到水平地震力引起的剪力并不大,有很多砖烟囱产生剪切破坏及错位,主要是由于竖向地震力起了很大的作用,若在烟囱筒身上加上环向及竖向的扁钢,将会加强烟囱的抗剪能力。

重庆某公司烟囱工程加固方案

工程概况

重庆某公司60m烟囱工程于1986年修建并投入使用,烟囱主体高60m,地面±0.00m标高处烟囱外径5.52m,距地面10m处外径5.02m,烟囱筒体外缘收缩量为2.5%;整个烟囱结构分基础部分、10m高混凝土底座部分和50m高砖砌筒体部分。设计图纸显示,该烟囱基础为独立混凝土基础,外径8.2m,高3.0m,C13混凝土基础下为高约6m的毛石混凝土垫层,地基持力层为泥岩;底座部分筒体为现浇钢筋混凝土结构,壁厚300mm;其上部的烟囱分内衬与外壁,外壁为MU10砖、M5混合砂浆分段砌筑,每段厚度分别为:10-30m段490mm,30-50m段370mm,50-60m段240mm。砌体水平灰缝内加设Φ6@250mm环向钢筋,该钢筋在每段的变截面各500mm范围内予以加密,间距为2皮砖;烟囱的内衬为MU7.5砖,1:1:4混合砂浆砌筑,厚度均为120mm。

1988年前后,在距离该烟囱的地面13.8m处增加修建了一钢筋混凝土半圆形环保观测平台,观测口设在烟囱的15.0m标高处,平台为现浇混凝土悬挑板结构,支座端采用在砖筒体上凿孔(300mm X 200mm)浇混凝土植入砖砌体内,平台宽0.93m,由混凝土楼梯自烟囱边的风机房屋顶引上。

烟囱裂缝检查情况及成因分析

(1)烟囱筒身裂缝较严重,主要为垂直裂缝,共2条,一条在筒身的南面(正对锅炉房)的钢爬梯左侧附近,自环境观测平台根部垂直向上发展,长度约20m,起始处裂缝宽度约12mm,最宽处在筒身中部的爬梯休息平台右侧,宽度约16mm(由于筒身爬梯锈蚀严重,无法爬上筒身去测量裂缝宽度,此处宽度为目测),此裂缝在爬梯休息平台以上约4m终止;另一条垂直裂缝在筒身的西北面,裂缝自环保观测平台根部开始,长度约3m,最大裂缝宽度约9mm。这2条裂缝均深入砌体内部,砖均断裂。

(2)环保观测平台与筒身结合处沿筒身有大量裂缝,平台根部混凝土与砖的联结处均有裂缝现象,部分砖断裂,裂缝宽度约0.1-0.6mm。

(3)现场有关技术人员反映,烟囱除尘设备在1999年和2000年均经过改造,改造后,烟尘经喷水除尘后进入烟囱的

温度由原来的170℃-200℃降低为现在的80℃左右;锅炉运转一直较正常,燃料为普通煤,锅炉一般在每年的长假,如春节、国庆等停产外,均连续工作;停产期间进行烟囱内出渣,2001年1月出渣时曾经发现渣中有少量砖块,估计为烟囱的内衬砖有破坏现象,因不便进入烟囱内观测,破坏部位不详。

(4)该烟囱底部混凝土结构完整,未发现裂缝等不良现象。

海儿洼水库位于宣化县城南20km 的海儿洼村老龙沟峡谷处,水库始建于1972 年。拦河坝为浆砌石拱坝,泄洪底孔位于拦河坝中线处,洞身为钢筋混凝箱形管道。进水塔基础坐落在基岩上,进口设计底高程为51.0m,泄洪底孔进水塔为钢筋混凝土框架结构,顶部设检修平台和启闭机平台, 检修平台高程76.0m,设工作桥与拱坝坝顶相连。经过三十多年的运用,进水塔上部结构表面混凝土碳化痕迹明显,检修平台及启闭机平台板表面混凝土龟裂、剥蚀脱落、露筋现象较为严重,框架柱水泥砂浆抹面出现众多龟裂纹,甚至局部起鼓。检修平台框架梁体底面混凝土保护层产生沿主筋方向的裂缝,裂缝宽度较大;梁体侧面混凝土严重碳化、脱落,风化面粗骨料出露,显示骨料粒径偏大,级配较差;梁体顶面混凝土保护层部分脱落、主筋外露锈蚀。启闭机平台梁有多处裂缝,导致结构强度偏低。针对以上情况,需对检修平台及启闭机平台板、梁进行补强加固。

成因分析如下:

(1)温度变化的影响。该烟囱内部原使用温度为200℃,改造除尘系统后,温度降为80℃左右,烟囱使用环境的变化导致了温度的改变,尤其是在烟囱由暂停使用到恢复生产的过程中,较大的温差产生了很大的温度应力,而温度应力的增大,极易形成烟囱筒壁由内至外的竖向裂缝。

(2)烟囱内衬损伤(裂缝或局部砌筑质量不良造成的破坏)影响。该烟囱内衬较薄,为120mm,且为普通粘土砖砌筑,耐腐蚀和隔热性能较差。由于施工或使用原因,其局部的损伤使内衬与外筒间空气隔热层的性能降低,导致烟气与空气隔热层相通。空气隔热层温度升高,增大了烟囱外筒壁的温度差,从而产生较大的温度应力,导致筒壁内、外侧产生或发展纵向裂缝。

(3)烟气腐蚀的影响。内衬筒壁的损伤,使烟气直接与外筒壁接触,由于从除尘塔排入烟囱的烟气含硫量高、水蒸汽量大,这样烟气中的SO2气体遇到水后便生成亚硫酸(H2SO3),极易对砖及砖内的钢筋造成腐蚀,同时降低筒壁材料的隔热性能,使形成的裂缝加速发展。

(4)增设环保观测平台及其变形的影响。该平台是在烟囱使用一段时间后增加的,其技术依据不足,平台出现的梯段裂缝和悬挑板与筒身间的裂缝说明平台的变形较大,其楼梯的基础变形与烟囱的变形不协调,楼梯对筒身产生了附加作用影响,经模拟计算,该作用产生影响的部位与烟囱出现裂缝的部位比较吻合。

(5)线膨胀系数不同的影响。由于混凝土线膨胀系数为图片252.png,而砖砌体的线膨胀系数仅为图片253.png,二者相差一倍,但平台根部植入砖砌体内的混凝土与砖砌体温度相同,这样,混凝土膨胀值远大于砖砌体膨胀值,因而,环保观测平台与筒身结合处沿筒身有大量裂缝,部分砖断裂。

加固方案   

    经过大量细致的调查和论证,采用碳纤维布作为加固的主要材料。碳纤维具有强度高、重量轻、施工便捷、施工功效高、耐高温、耐腐蚀等特点,用其加固,可以提高结构及构件的承载力及延性,对于抗震加固尤其具有重要意义。本工程加固于2001年3月初开始施工,于3月底完成加固,工期20天,加固方案如下。

由于本工程烟囱裂缝长达20m,实施加固时先用环氧砂浆对烟囱的砌体结构部分进行灌缝处理,然后沿烟囱从顶到底部混凝土基座处(标高8m处)竖直粘贴250mm宽的碳纤维布,按环向均匀相隔,共6条纵向碳纤维布。其后,从底部混凝土基座、标高8m处起往上每隔2.0m(中心间距)粘贴1条250mm宽的环向碳纤维布,一直粘贴到烟囱36m处。最后,从烟囱36m处起往上每隔3.0m(中心间距)粘贴1条250mm宽的环向碳纤维布,一直粘贴到烟囱顶部。烟囱加固方案见图2。

 

图片254.png 

图2 烟囱加固方案

小结

砖烟囱裂缝加固通常采用外包钢筋混凝土法,但该法受生产及气候条件影响较大,施工难度大,工期长。也有用钢结构或预应力筋加固的,但它们的耐腐蚀性能却很差。烟囱于2001年3月底完成加固,工期20天。加固使用1年多来,裂缝未见扩展,加固效果良好。烟囱加固采用碳纤维法,工期短,可靠性高,难度小,加固费用与其它加固方法相当,不失为一种快捷的新方法。

 

3某165m高火电厂烟囱加固工程

工程概况

原烟囱如图1所示,总高度165m,底部直径16.4m,顶端直径5.3m。烟囱壁由筒身、隔热层和内衬三部分组成。筒身为现浇钢筋混凝土,壁厚随高度变化:0—15m之间为400mm。15—50m之间为300mm,50~80m之间为250mm,80—110m之间为200mm,110。160m之间为160mm.160~165m之间为200mm;混凝土强度等级为250号(相当于C23)。烟囱相对标高50m以下配筋有内壁和外壁两层竖筋和环筋;标高50m以上只在外壁配有一层竖筋和环筋。

烟囱基础为钢筋混凝土预制方桩基础,桩长为21m,桩身混凝土强度设计等级为300号(相当于C28),桩总数为185根,烟囱的桩基础端部位于第6层粉质粘土层。基础底板为圆形承台基础,承台板厚2.3m,半径为13.8m,圆形板式基础埋置深度为6.4m,混凝土设计强度等级为200号(相当于C18)。

图片255.png 

图1 原烟囱   图2 观光塔

该烟囱拟加固后改建后为动态观光塔,如图2所示。改建后结构保留烟囱混凝土筒壁,拆除原有隔热层和内衬。在烟囱外围绕着烟囱筒壁新建4榀螺旋形钢结构管桁架,并在桁架的外侧覆盖穿孑L铝板;在高度方向间隔lOm左右设置水平环形钢桁架,水平环形桁架分别与螺旋钢桁架和烟囱筒壁连接;顶部设置4个钢结构桁架立柱,下端坐落在烟囱顶端,侧面通过环型桁架与螺旋桁架连接,改建后结构总高度达196m;在筒内还将没置钢框架结构的救生电梯井道。

结构整体加固方案的设计

虽然外围的螺旋钢结构桁架通过环桁架间接地连接在一起,但它们本身并不成为一个完整的结构,而仅仅是附着在混凝土简体上,起传递外荷载(及自重)的作用。顶部加建的30多m高的钢结构完全坐落在烟囱顶部,所有荷载效应都要传递到混凝土筒体上,因此,结构加固的对象就是原烟囱的钢筋混凝士筒体本身。由于加建的钢结构形式特殊,而且螺旋桁架上有大量的铝板,导致结构的受风面积大大增加,且风在结构表面的荷载分布十分复杂,该工程成为风荷载敏感结构,风荷载的取值直接关系到结构极限状态下的外荷载,同时也决定了结构加固的范围和工程量。结构的主要控制荷载组合为1.0D+1.4W,因此结构加固的主要目标就是在以风荷载为主的荷载组合中,满足承载能力与正常使用的要求。

改建后但尚未加固的结构在荷载组合1.0D+1.4W作用下,简体上最大竖向压应力为8.61MPa,筒体上竖向拉应力比大于1.0区域的分布情况(考虑到长期积累损伤等综合因素,原筒壁混凝土强度按现行规范的C20取值),最大拉应力为4.6MPa.从图4可以看到,高应力区主要集中在标高50一1lOm之间。煳囱顶面(标高165m处)的最大水平侧移为329mm,结构顶点(标高196m处)的最大水平侧移为497mm。因此,要求通过结构加固解决筒壁竖向拉应力过高和结构整体水平刚度不足的问题。。根据筒壁的应力特征,设计了两种加固方案,方案一加厚混凝十筒壁或增设钢筋混凝土扶壁柱,方案二在筒内设置钢结构框架体系与预应力拉索体系。

加固方法1:根据未加固改建结构的整体计算结果,混凝土筒壁采用C30混凝土加厚,配纵向与环向钢筋,或者增加钢筋混凝土肇柱,以提高结构的整体刚度,并增加混凝土筒壁的承载力,降低混凝土筒壁的应力水平。在控制荷载组合1.OD+1.4W作用下。经比较后选定加厚方式2,即标高0-50m范围内筒壁加厚100mm,标高50~1lOm范围内筒壁加厚150mm,标高110-165m范围内筒肇加厚100mm,按构造要求配筋。

加固方法2:方案二综合采用拉索施加预应力和增没钢壁柱这两种措施,解决改建结构的强度与侧移刚度问题。

未加固的改建结构计算表明,在水平荷载作用下,标高50~110m范围内的筒体竖向拉应力较高,因此,在相邻水平环桁架之间的筒内节间布置交叉的预应力拉索,通过拉索给筒体施加竖向l~2MPa的预压应力。拉索设置在标高31—144m范围内,共12道水甲环桁架之间。

加固措施二是沿筒的内壁,从底到顶(165m)设置贯通的钢柱。钢壁柱与井道内的横梁共同形成空间框架体系,从而提高结构的整体抗侧刚度,同时改善筒壁的应力状况。

标高31~82m范围内的拉索预拉力为3200kN,标高82—144m范围内的拉索预拉力为1600kN。筒体上的竖向预压应力分布在拉索设置的范围内,竖向预应力大小主要在1~2MPa之间,

1.明确提出隔热层、内衬及其粘接剂,耐酸砂浆或耐酸胶泥的强度值(规范仅给出了内衬的强度值)。

2.明确提出上述材值的耐高温范围,耐腐蚀(耐酸、耐碱分开)指标,供设计人方便选择。

3.目前多数隔热层材料与筒内擘不粘接,有的彼此上下左右也不粘接,而是插在筒内壁和内衬之间。所以应明确要求隔热层材料不仪彼此上下左右贴接牢靠,其背部与筒内壁混凝土也要贴接牢靠。内衬不仅上下左右贴粘,也要与背部隔热层材料贴接牢靠。

4.考虑到锅炉开停时,烟气压力正负值波动较大(应取3kN/m2),但影响范围仅在烟囱低部,所以建议烟囱烟道口底标高以上高度(5~lO)h范围内(h为烟道口高度),内衬厚应不小于240mm。当h较小时取lOh,当h较人时取5h。

5.建议烟囱下部及中间,内衬分节顶部由现行悬臂端改为有一定嵌固作用简支端,即内衬受冷热变化可缩胀,水平有一定支撑起拉结作用。

可在内衬分节高度顶部,环向悬臂牛腿标高处,沿环向一整圈,每半米增加一“顶砖”,砖厚6mm,宽240mm,长为上节内衬厚,加下节内衬厚和下节隔热层厚三者之和。该“顶砖”之上仍然有高370mm的砖砌体内衬搭接段。