1 事故概况
某45m高砖烟囱,剖面如图1 所示。在投入使用1年左右发现筒壁出现竖向裂缝,如图2 所示,主要由西北侧标高10100m 延伸到标高15100m 处,由西北侧标高20100m延伸到标高25100m 处,以及由东南侧标高15100m延伸到标高20100m 处, 裂缝长度均在5m 左
右,宽度115～210mm,其余部位发现有细如发丝的竖向裂隙,但无环向裂缝。从裂缝的部位、走向及长度、宽度进行分析认为,该烟囱的竖向裂缝对烟囱的安全使用造成威胁,其余细微裂缝尚属正常。
2 原因分析
由于造成砖烟囱结构裂缝原因较多,为此从多方面进行了原因分析。
211 沉降倾斜及施工使用情况
自该烟囱投入使用后,即对基础沉降情况进行了跟踪监测,沉降观测点沿烟囱底部均匀布置( 图3) ,1 # ,2 # ,3 # ,4 # 点的累计沉降分别为11 ,9 ,14 ,9mm,基础最大倾斜率为116 ‰,均小于20mm 的基础沉降允许值和6 ‰的基础倾斜允许值[1 ,2] ,可以排除沉降倾斜的因素。
工程施工(包含烘干) 均按照规范、规程进行,在使用阶段气候及生产正常,热源稳定,烟气温度控制在设计允许范围内,无事故发生。故认为裂缝的产生与施工及使用没有明显因果关系[3] 。烟囱竖向开裂分析与加固
212 烟囱设计情况
从工程图纸来看,烟囱高45m,共划分为5 节,由底至顶每节的高度分别为715 ,1010 ,1010 ,1010 ,715m(图1) ,上口内径为114m,筒壁坡度为215 % ,烟气温度为250 ℃。筒壁采用MU10 红砖,M5 水泥石灰混合砂浆,内衬采用MU715 红砖,设50mm 空气隔热层。烟囱的具体尺寸见表1 。
尽管烟囱筒壁的厚度比较薄,但高温还是会导致筒壁内外表面产生温差,温差对结构产生的应力、应变比较大,常常成为造成结构问题的主导因素,不可忽略。温度应力作用如图4 所示。
烟囱可被视为一端固定、一端自由的长圆柱壳模型,在远离自由边界的各个截面(包括垂直截面和水平截面) 失去弯曲变形的条件,将会在正交的两个方向———纵向和环向上引起相同的约束力矩。当筒壁内热外冷时,则筒壁的外壁面在纵向及环向上均呈现拉应力,内壁面呈现压应力。当最大拉应力超过了结构的抗拉强度时,便在筒壁的外表面出现裂缝。Mx 引起环向裂缝,Mθ 引起竖向裂缝。由于实际上纵向约束程度自由端的影响小于环向的,并有自重压力作用等因素的影响,砖烟囱因温度应力作用产生环向裂缝的较为少见,而产生竖向裂缝的则较常见。由于砖砌体本身抗压能力较好,而抗拉能力极其有限,因而一般均在砖烟囱中通过配置环向钢筋来阻止砖砌体横向变形的发展,提高其抗拉能力,防止温度裂缝的产生。
考虑到筒壁内外温差与竖向裂缝之间可能存在的因果关系,重新核算该烟囱需要配置的环向钢筋,对烟囱的水平截面及竖向钢筋未进行核算。计算采用的参数与原设计及规范一致,烟气温度Tg = 250 ℃,夏季极端最高温度35 ℃,冬季极端最低温度- 40 ℃。首先采用平壁法按照下式计算内衬、隔热层及筒壁的受热温度,筒身传热简图见图5 ,计算结果见表2 。
然后按下式计算每m高筒壁所需配置的环向钢筋面积,计算结果及烟囱实际配筋如表3 所示。
式中: Asm为每m 高筒壁所需的环向钢筋截面面积; rs为环向钢筋所在圆半径;η为与环向钢筋根数有关的系数; f yt 为温度作用下,钢筋抗拉强度设计值;εm为筒
壁内表面相对压缩变形值; Emt′为环向钢筋的弹性模量; t0 为计算截面筒壁有效厚度; r1 为筒壁内半径;εt为筒壁外表面在温差作用下的自由相对伸长值。
从表3 可以看出,实配钢筋明显小于计算结果,所以,该砖烟囱是由于环向温度钢筋配置严重不足,在温度应力作用下无法提高砖砌体抗拉能力,难以约束筒壁横向变形,造成了筒壁的竖向裂缝。
3 加固方案
由于该烟囱已经投入使用,决定采用增设环箍方案来增加烟囱的环向约束,控制竖向裂缝继续发展。选用环箍宽200mm,厚6mm,从烟囱底部到标高42100m处间距1 000mm设置,在标高271500m以下部位的环箍分成3 段(每段长度相同) ,此标高以上部位的环箍分成2 段(每段长度相同) 。环箍采用Q235 钢,环箍接头螺栓M20 。环箍与烟囱筒壁之间的接触面以5mm厚矿棉垫隔[4] 。环箍防锈采用有机硅涂料,颜色红白相间,如图6 所示。
在施工时需注意,环箍必须保持水平状态,环箍接头位置沿筒壁高度互相错开。环箍安装时施工温度不得低于10 ℃,并施加预应力,预应力取值30MPa[3 ,5] 。经加固后,砖烟囱使用状况良好。
4 结语
砖烟囱在工业厂房中普遍存在,诱发其开裂的因素非常多,需要从设计、施工、使用等多方面进行原因分析和探讨。经研究发现,砖烟囱结构竖向开裂往往与温度作用相关,故要在设计阶段就给予温度作用足够的重视,可大大降低使用中产生问题的风险。
