本文结合实际烟囱工程,采用钢板加固法处理旧砖烟囱裂缝和整体喷射钢筋混凝土筒法进行烟囱抗震加固,并给出了计算方法和具体构造措施。
由于旧砖筒刚度很大,外表面经处理后与混凝土筒粘结成为整体,旧砖筒对混凝土筒有较强的侧向约束作用,实际附加弯矩值小于计算值。同时混凝土筒对旧砖筒也有环箍作用,使旧砖筒
处于有利受力状态。本砖烟囱经采用上述方法于1999年初加固后,使用至今已近3年,表面再没有出现裂缝,证明加固效果良好。旧砖烟囱被混凝土包裹后,可以避免风雨日照等侵蚀,相应延长使用寿命。此加固方法可以广泛应用于加固50年代末至70年代初(唐山地震以前)修建的砖烟囱,这些砖烟囱设计时,均未考虑抗震措施,而且相当一部分至今仍在继续使用,采用本文的方法进行加固,即可以消除安全隐患,又可以适当地延长其使用寿命。
关键词 砖烟囱 裂缝处理 抗震加固 计算方法 构造措施
一、砖烟囱概况
沈阳市某小区供热锅炉房33m高砖烟囱,建于1957年,筒壁采用100#(MU10)红砖,50#(M5)混合砂浆砌筑。砖烟囱设计时未考虑抗震措施,砖烟囱筒壁和内衬分别为4节和2节,每节度为8m(内衬总高13m),内衬为耐火砖加耐火泥砌筑,在顶部没有内衬之处抹矾土水泥砂浆,筒身未配纵向钢筋,环向配筋为Φ6@300。1998年底发现烟囱上部出现一条长约5m的竖向裂缝(略倾斜),顶端1•5m左右裂缝较为严重,缝宽最大值约3cm,如图1所示。
二、裂缝原因分析
经现场检测,发现斜裂缝基本上是沿着灰缝出现。根据调查,沈阳地区在20世纪未发生过地震,即使1975年海城大地震,也未发现该砖烟囱出现裂缝,故首先排除了地震作用的可能性。现场以经纬仪测量,测得烟囱基本上没有倾斜,而且也不符合由于地基倾斜出现裂缝的特征,因此也排除了基础倾斜的因素。在拆除顶部筒身时发现,内壁矾土水泥砂浆部分脱落,露出红砖。根据初步分析,认为是由于内筒壁矾土水泥砂浆脱落,在烟气温度作用下引起的裂缝。
三、处理措施
由于该砖烟囱已使用42年,设计时又未考虑抗震措施,而且甲方又要求加固处理后,砖烟囱可
以继续使用15年左右。经专家现场评估,该砖烟囱可靠性综合评级[1]为3下级,建议在对缝进行加固处理的同时,也对其进行整体抗震加固,消除安全隐患并相应延长使用寿命。采取的具体措施如下:
1•该砖烟囱基础的持力层为粘土夹砾砂层,又经过多年沉降固结,地基承载力显著提高,因此
2•将顶部1•5m区段裂缝较宽的筒壁予以拆除重新砌筑。
3•对顶部1•5m以下区段裂缝部位采用在裂缝处喷射M10水泥砂浆,裂缝区段筒壁用60×8
钢板间距1000mm箍紧。
4•对砖烟囱采用整体配筋喷射混凝土进行抗震加固。
5•对烟囱顶部6m区段砖筒内壁重新抹2cm厚耐热水泥砂浆。
四、加固验算
本次加固验算,均按现行结构设计规范执行。计算中考虑竖向荷载由旧砖烟囱和新加混凝土筒
共同承担,水平荷载(风荷载、地震作用、温度作用)全部由新加混凝土筒承受。计算中不考虑旧砖烟囱继续承受水平荷载,以偏于安全,计算附加弯矩时,也不考虑旧砖烟囱对新加混凝土筒的约束作用。
1•已知条件
①旧砖烟囱砌筑材料为MU10砖,M5混合砂浆,基本尺寸见图2。
②地震基本烈度为7度,Ⅱ类场地,基本风压0•5kPa。
③新加混凝土筒壁厚80mm,采用C20细石混凝土喷射成型。
2•受热温度计算
烟气温度T=400°C,夏季室外最高温度取为35°C,冬季室外最低温度取为-30°C,根据《烟囱
设计规范》[2](GBJ51-83),计算得混凝土筒内壁最高受热温度tmax=130°C,外壁最高受热温度tmax=75°C,均小于规范规定限值tmax=200°C,为简化计算,取混凝土筒壁平均温度tc=100°C,钢筋平均温度ts=100°C。按规范计算混凝土和钢筋在温度作用下的材料特性见。
3•内力计算
根据《建筑抗震设计规范》[3](GBJ11-89),砖烟囱(H≤60m)基本自振周期可按下式计算:
T1=0•26+0•0024*H2/d2(1)
H—自基础顶面算起的烟囱高度(m)d—烟囱筒身半高处截面外径(m),对本工程
应考虑混凝土筒壁厚T1—烟囱基本自振周期(S),本工程经计算T1得
T1=0•26+0•0024*332/2•832=0•586(s)
根据《建筑结构荷载规范》[4](GBJ7-89),《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89),《烟囱设计规范》(GBJ51-83),进行恒载、风荷载、地震作用计算,计算附加弯矩时考虑基础倾斜及日照影响(取tanθ=0•06,ΔT=20°C),计算的各截面控制内力见表2~表3。
截面号标高(m)恒载NK(kN)风荷载地震作用
4•截面配筋验算
在承载能力极限状态下,新加混凝土筒的结构重要性系数γ0取1•1,筒身抗震承载力调整系
数γRE取0•85,考虑2种荷载组合进行截面强度验算。
1•4*风荷载
根据《烟囱设计规范》,对各水平截面进行承载能力计算,得纵筋面积组合ⅠAs=3400mm2,组
合ⅡAs= 4100mm2,实配纵筋40Φ12,As=4524mm2,环向配筋采用Φ8@250。
5•使用阶段验算
在使用阶段考虑如下3种组合对各截面进行应力及裂缝宽度验算。
组合Ⅰ:恒载+风荷载
组合Ⅱ:恒载+风荷载+温度作用
组合Ⅲ:恒载+温度作用
计算得:混凝土压应力σcmax=2•4MPa,钢筋应力σs=50MPa,水平裂缝宽度wmax=0•13mm,竖向裂缝宽度wmax=0•11mm,均满足正常使用极限状态要求。
五、加固施工步骤与构造措施
1•将烟囱顶部1•5m区段裂缝较宽的旧砖烟囱筒壁予以拆除。
2•将烟囱顶部1•5m以下区段裂缝喷注M10水泥砂浆,使裂缝闭合。
3•用60×8钢板,间距1000mm箍紧裂缝区段,并超出裂缝区段1000mm,以防止裂缝继续扩展。
4•将顶部1•5m区段重新用MU10砖,M5混
合砂浆砌筑至顶圈梁下,砌筑时配置环向钢筋Φ8@250,纵向钢筋Φ12@300,并锚入顶圈梁250mm。
5•将旧砖烟囱表面凿毛,消除酥碎部分及污物,用清水冲洗,并刷素水泥浆一道,以使新加混
凝土筒与旧砖烟囱牢固粘结。
6•在旧砖烟囱基础顶面加设基础圈梁240×300,配筋6Φ12/8Φ@200。
7•绑扎纵向钢筋和环向钢筋,纵向钢筋应锚入新加基础圈梁和重新砌筑的顶圈梁内,使新加混凝土筒与旧砖烟囱从基础到顶端均连成整体。
8•沿烟囱周身喷射C20细石混凝土80mm厚,浇筑顶圈梁360×240,配筋6Φ12/Φ8@200。
9•将顶部6m区段的砖筒内壁松动的矾土水泥沙浆清除,重新抹2cm厚耐热水泥砂浆。
