磚煙囪安全等級評定與加固技術(shù)*

孫曉陽

(中國建筑第八工程局有限公司總承包公司，上海 201204)

0 引言

20世紀(jì)50年代至80年代，為促進(jìn)生產(chǎn)，加快我國工業(yè)化建設(shè)，作為工業(yè)生產(chǎn)的必備構(gòu)筑物，煙囪被大量修建。其中，磚煙囪以取材方便、施工簡單、成本低廉等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑中，占比較大。經(jīng)長期使用后，磚煙囪出現(xiàn)材料老化、筒身開裂、地基傾斜等現(xiàn)象。相比拆除重建，在滿足正常使用條件下對既有煙囪進(jìn)行加固改造，既可節(jié)省原材料，又能避免大量建筑垃圾的產(chǎn)生，縮短建設(shè)周期，延長煙囪使用壽命。對既有煙囪進(jìn)行加固改造，實現(xiàn)修復(fù)再利用，已成為亟待研究的課題。

1 工程概況

加固煙囪位于南京市江寧區(qū)湯山街道圣湖西路兩側(cè)、陽明山莊以東、昆元水泥廠和銀佳水泥廠內(nèi)，如圖1所示。其中，1～3號煙囪為砌體結(jié)構(gòu)，采用燒結(jié)普通磚、混合砂漿砌筑，內(nèi)部無內(nèi)襯或隔熱層，建成于20世紀(jì)70年代。1號煙囪高43.5m，筒壁直徑由1.8m漸變至4.4m，壁厚由240mm漸變至780mm；2號煙囪高40.2m，筒壁直徑由1.8m漸變至3.9m，壁厚由240mm漸變至620mm；3號煙囪高40.4m，筒壁直徑由1.8m漸變至3.9m，壁厚由240mm漸變至620mm。

圖1 加固煙囪所在區(qū)域

2 施工重難點

1)為避免搭設(shè)高空操作架導(dǎo)致體量大、工期長、造價高等問題，研發(fā)自懸掛提升鋼平臺，以提高效率。利用有限元軟件對自懸掛提升鋼平臺在各工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確保施工過程中自懸掛提升鋼平臺安全、穩(wěn)定。

2)基于BIM技術(shù)建立自懸掛提升鋼平臺與鋼箍帶三維模型，并對模型進(jìn)行分割，提取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)加工，工廠化制作、裝配化安裝，以提高施工效率，保證施工質(zhì)量。

3)將煙囪三維模型導(dǎo)入有限元軟件，分析煙囪內(nèi)力與位移，并對加固過程中的應(yīng)力、應(yīng)變等進(jìn)行監(jiān)測，確定合理工序，確保加固過程穩(wěn)定、可控。

4)利用自懸掛提升鋼平臺及鋼箍帶自上而下對煙囪筒壁外側(cè)進(jìn)行加固，對寬度較大的裂縫采用高強度水泥基材料進(jìn)行壓力灌漿，對寬度較小的裂縫采用聚合物砂漿進(jìn)行填充，實現(xiàn)快速、高效加固。自懸掛提升鋼平臺自動化程度高，安裝和拆卸方便，安全性好，可靠性高，煙囪兩側(cè)可同步加固，施工效率較高。

5)采用高強度無收縮水泥基灌漿料及配套設(shè)備，設(shè)備構(gòu)造簡單，抗腐蝕性及耐久性較好，可有效防止結(jié)構(gòu)二次侵蝕。

3 現(xiàn)場檢測

為了解煙囪現(xiàn)狀，為后續(xù)加固提供技術(shù)依據(jù)，需根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對地基基礎(chǔ)及上部承重結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件缺陷與損傷、砌筑砂漿抗壓強度、磚抗壓強度進(jìn)行檢測。

3.1 地基基礎(chǔ)及上部承重結(jié)構(gòu)檢測

對地基基礎(chǔ)及上部承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場檢測，未見因基礎(chǔ)整體或不均勻沉降引起的上部結(jié)構(gòu)開裂、變形和位移等現(xiàn)象，地基基礎(chǔ)工作狀態(tài)正常。

3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件缺陷與損傷檢測

根據(jù)現(xiàn)場實際情況對煙囪構(gòu)件缺陷與損傷進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)煙囪四周表面存在不規(guī)則裂縫，裂縫最大寬度約25mm。檢測部位磚砌體砌筑方法正確，內(nèi)外搭砌，上下錯縫，部分燒結(jié)磚出現(xiàn)風(fēng)化跡象。

3.3 砌筑砂漿抗壓強度檢測

依據(jù)JGJ/T 136—2017《貫入法檢測砌筑砂漿抗壓強度技術(shù)規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采用貫入法對煙囪砌筑砂漿抗壓強度進(jìn)行檢測。根據(jù)檢測結(jié)果，可推定1～3號煙囪砌筑砂漿抗壓強度最小值分別為5.2，5.3，5.6MPa。

3.4 磚抗壓強度檢測

依據(jù)DGJ32/TJ 114—2011《回彈法檢測砌體中磚抗壓強度技術(shù)規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采用回彈法對隨機抽取的3個部位磚抗壓強度進(jìn)行檢測。根據(jù)檢測結(jié)果，可推定1～3號煙囪磚抗壓強度等級均為MU10。

4 有限元分析

為有針對性地對煙囪進(jìn)行加固改造，首先需對煙囪進(jìn)行有限元分析，得到需補強的位置和關(guān)鍵點，從而提高加固效果。結(jié)合有限元分析結(jié)果，依據(jù)GB 51056—2014《煙囪可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行煙囪安全等級評定。

4.1 建立模型

采用MIDAS Gen軟件進(jìn)行建模計算，筒身普通燒結(jié)磚彈性模量為2.4×109N/m2，線膨脹系數(shù)為5×10-6/℃。筒頂頂板采用C40混凝土澆筑，混凝土彈性模量為3.25×1010N/m2，線膨脹系數(shù)為1×10-5/℃，按煙囪實際尺寸進(jìn)行建模。

4.2 邊界條件與驗算參數(shù)

可視地基為剛性地基，煙囪底部固定不動，上部為自由端，屬于一般支承結(jié)構(gòu)。

依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，確定基本風(fēng)壓為0.40kN/m2，地面粗糙程度為B類。依據(jù)GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，南京市江寧區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，地震分組為第1組，基本地震加速度為0.10g。煙囪上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處環(huán)境為一般露天環(huán)境，依據(jù)GB 50144—2019《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定，可知煙囪所屬環(huán)境類別為Ⅰ類，作用等級為B級。外部最高氣溫為45℃，最低氣溫為-15℃。

4.3 計算結(jié)果分析

4.3.1結(jié)構(gòu)自重作用分析

煙囪在自重作用下的位移、應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2可知，煙囪最大位移、應(yīng)力均出現(xiàn)在頂板中心處，最大位移為0.26mm，最大應(yīng)力為0.33MPa。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于混凝土抗壓強度設(shè)計值，可知承載力滿足要求。

圖2 自重作用下煙囪位移、應(yīng)力云圖

4.3.2風(fēng)荷載作用分析

煙囪在x，y向風(fēng)荷載作用下的位移、應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖3可知，由于煙囪高度較大，受風(fēng)荷載影響較大，煙囪頂部出現(xiàn)最大位移，為8.61cm，滿足GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》有關(guān)要求；煙囪最大應(yīng)力出現(xiàn)在底部，為0.68MPa，小于普通燒結(jié)磚抗壓強度設(shè)計值，可知承載力滿足要求。

圖3 風(fēng)荷載作用下煙囪位移、應(yīng)力云圖

4.3.3溫度荷載作用分析

煙囪在溫度荷載作用下的位移、應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知，在升溫和降溫過程中，煙囪由溫差引起的最大位移出現(xiàn)在筒身頂部，為9.77mm；煙囪由溫差引起的最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂板中心處，為18.34MPa，小于混凝土抗壓強度設(shè)計值，可知承載力滿足要求。

圖4 溫度荷載作用下煙囪位移、應(yīng)力云圖

4.3.4地震作用分析

地震作用下煙囪位移、應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可知，煙囪最大位移出現(xiàn)在筒身頂部，為2.91mm；煙囪最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒底兩側(cè)邊緣處，為0.02MPa，小于普通燒結(jié)磚抗壓強度設(shè)計值，可知承載力滿足要求。

圖5 地震作用下煙囪位移、應(yīng)力云圖

5 安全等級評定

結(jié)合現(xiàn)場檢測與有限元分析結(jié)果，依據(jù)《煙囪可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定，將煙囪筒壁安全等級評定為C級，將地基基礎(chǔ)安全等級評定為B級。

6 加固方案

根據(jù)煙囪安全等級評定與有限元分析結(jié)果，采取以下措施對煙囪進(jìn)行加固：①對筒體存在的裂縫及風(fēng)化部位進(jìn)行修復(fù)；②對煙囪外側(cè)進(jìn)行防腐施工，防腐設(shè)計年限為15年；③在煙囪筒體外側(cè)整體包覆60mm×8mm豎、環(huán)向鋼箍帶；④在煙囪頂部增設(shè)1道壓頂圈梁，并澆筑100mm厚混凝土板封堵洞口。

6.1 煙囪頂部清理至結(jié)構(gòu)層

人工清除煙囪頂部避雷針、水泥殘渣、混凝土及磚塊，煙囪頂部水泥殘渣現(xiàn)狀如圖6所示。清理至結(jié)構(gòu)層后，復(fù)測筒體厚度、內(nèi)外徑尺寸等。

圖6 煙囪頂部水泥殘渣現(xiàn)狀

6.2 頂部臨時平臺就位

為便于圈梁灌漿料澆筑，在筒體頂部搭設(shè)臨時平臺，以提供作業(yè)空間。臨時平臺由└80×8焊接而成，上部擱置于煙囪筒壁上，下部伸入筒體，底部滿鋪模板，如圖7所示。

圖7 頂部臨時平臺

為提供煙囪加固操作平臺，確保施工安全，需對頂部臨時平臺穩(wěn)定性進(jìn)行驗算。頂部臨時平臺位移、應(yīng)力云圖如圖8所示，由圖8可知，頂部臨時平臺最大位移出現(xiàn)在鋼梁懸挑最外側(cè)，為0.41mm；頂部臨時平臺最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼梁搭接處，為6.78MPa，小于鋼材抗拉強度設(shè)計值，可知承載力滿足要求。

圖8 頂部臨時平臺位移、應(yīng)力云圖

6.3 頂部圈梁灌漿料澆筑

煙囪頂部植筋后，利用汽車式起重機將鋼筋籠吊至煙囪頂部進(jìn)行安裝。通過3道鋼絲繩將圈梁鋼模板固定，與筒體接觸部位采用發(fā)泡劑密封。采用高強度水泥基灌漿料澆筑圈梁，澆筑完成后進(jìn)行覆蓋、澆水養(yǎng)護(hù)。

6.4 自懸掛提升鋼平臺安裝

自懸掛提升鋼平臺由H200×200×8×12制成，平面布置如圖9所示，利用汽車式起重機將其吊裝至煙囪頂部，與預(yù)埋鋼板滿焊連接(見圖10)，繞鋼平臺頂部焊接1圈φ25鋼筋，用于固定安全繩。

圖9 自懸掛提升鋼平臺平面布置

圖10 連接節(jié)點示意

6.5 吊籃組裝與調(diào)試

在自懸掛提升鋼平臺懸挑部位設(shè)置2個外掛點，用于固定吊籃主繩及副繩，如圖11所示。吊籃在筒身兩側(cè)對稱安裝，安裝完成后進(jìn)行調(diào)試與驗收。

圖11 吊籃懸掛三維模型

6.6 開裂與風(fēng)化部位修補

筒體裂縫為貫穿縫，寬度較大，需進(jìn)行高強度水泥基材料壓力灌漿。對于寬度較小且無法灌漿的裂縫，采用聚合物砂漿填實。將風(fēng)化部位疏松砂漿及磚塊剔除后，采用聚合物砂漿填實。

高強度水泥基材料壓力灌漿工藝流程如下：①分段 將煙囪按由下而上的空間順序劃分為4段；②標(biāo)記 對每個工作段內(nèi)煙囪筒壁裂縫進(jìn)行標(biāo)記、修正；③裂縫檢測 對每個工作段內(nèi)裂縫表面進(jìn)行探縫檢測，以確定裂縫寬度、深度、貫穿情況；④裂縫清理 采用吹風(fēng)機對裂縫進(jìn)行吹洗，清除表面浮塵，對松動砂漿、即將剝落的劣質(zhì)磚砌體表面浮渣進(jìn)行清除；⑤封縫材料拌制 將封縫材料按配合比加水?dāng)嚢杈鶆颍缓筮\至裂縫部位；⑥嵌縫作業(yè) 將拌制完成的封縫材料手工搓條，嵌壓至裂縫部位，并使用刮刀將封縫材料嵌入裂縫內(nèi)部，嵌入深度≥20mm，將裂縫口外溢封縫材料清理干凈；⑦預(yù)埋導(dǎo)管 在每條裂縫最大寬度部位按一定距離預(yù)埋透明塑料軟導(dǎo)管，埋設(shè)深度≥30mm，留設(shè)灌注口、排氣口(觀察口)；⑧灌注灌漿料 封縫材料固化后，進(jìn)行灌漿作業(yè)，采用高強度無收縮水泥基灌漿料，在指定容器內(nèi)充分?jǐn)嚢杈鶆?，小批量、多次進(jìn)行灌漿作業(yè)；⑨養(yǎng)護(hù) 灌漿完成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期間不得拔除導(dǎo)管；⑩拔除導(dǎo)管 灌漿料養(yǎng)護(hù)結(jié)束后拔除導(dǎo)管，并對拔除處缺陷通過封縫材料修補平整。

6.7 筒壁外包鋼箍帶

按先上后下、先豎向后環(huán)向的順序外包鋼箍帶，并嵌縫填實，鋼箍帶布置如圖12所示。

圖12 鋼箍帶布置示意

1)基準(zhǔn)點選取與豎向鋼箍帶中線確定

將煙囪外爬梯中心線作為基準(zhǔn)點，上下煙囪外壁按等分原則劃分為十等分線，每條等分線為豎向鋼箍帶粘貼中心線，并在上下煙囪外壁做好標(biāo)記。

2)臨時懸掛點設(shè)置

在煙囪頂部磚帽處，將環(huán)向鋼箍帶固定在煙囪外壁，作為豎向鋼箍帶臨時懸掛吊點。

3)豎向鋼箍帶安裝

安裝煙囪磚帽以上豎向鋼箍帶，上口彎折成90°，并將M10化學(xué)錨栓固定在壓頂圈梁上口、側(cè)面，過磚帽處空隙使用聚合物砂漿、快干水泥嵌縫填實，確?？障侗惶顫M。將粘貼鋼箍帶的煙囪工作面清洗干凈，并進(jìn)行找平、修補、磨光。豎向鋼箍帶安裝過程中，對于固定后具有較大安裝縫隙的部位，及時采用封縫材料填實，防止豎向鋼箍帶與煙囪外壁脫空。

4)環(huán)向鋼箍帶安裝

每道環(huán)向鋼箍帶分為2個半圓環(huán)，兩端分別采用螺栓收緊器進(jìn)行收緊，如圖13所示。對每道環(huán)向鋼箍帶進(jìn)行精確定位，并做好標(biāo)記，標(biāo)記點不少于3個。將粘貼鋼箍帶的煙囪工作面清洗干凈，并進(jìn)行找平、修補、磨光。采用汽車式起重機或鋼絲繩+滑輪將具有標(biāo)記的環(huán)向鋼箍帶運至指定部位，通過吊籃將工人運至螺栓收緊器位置，先調(diào)整環(huán)向鋼箍帶位置，再同時收緊兩端螺栓，直至環(huán)向鋼箍帶完全收緊。按由上而下的順序逐個安裝做好標(biāo)記的環(huán)向鋼箍帶，所有環(huán)向鋼箍帶安裝到位后進(jìn)行嵌縫、灌漿。利用快干水泥或聚合物砂漿填充所有豎向、環(huán)向鋼箍帶空隙。

圖13 環(huán)向鋼箍帶節(jié)點連接

6.8 煙囪筒體內(nèi)外側(cè)防腐施工

分2遍滾涂滲透增強型清水混凝土罩面保護(hù)劑，第1遍滾涂完成后30min內(nèi)完成第2遍滾涂。第1遍滾涂材料加1倍水稀釋，第2遍滾涂材料為原液，施工完成后自然養(yǎng)護(hù)1h以上。

6.9 煙囪監(jiān)測

為避免施工對煙囪產(chǎn)生影響，對煙囪內(nèi)力、振動、裂縫和整體傾斜進(jìn)行監(jiān)測，以保證結(jié)構(gòu)安全。主要監(jiān)測內(nèi)容包括：①使用表面式應(yīng)變計對關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測；②使用測縫計對關(guān)鍵部位進(jìn)行裂縫監(jiān)測；③使用傾角儀對整體傾斜度進(jìn)行監(jiān)測；④使用加速度傳感器對振動速度進(jìn)行監(jiān)測。

7 加固注意事項

1)由于1～3號煙囪高度均>40m，加固施工屬高空作業(yè)，需在待加固煙囪周邊半徑10m范圍內(nèi)采用封閉式防護(hù)，施工作業(yè)期間禁止外人入內(nèi)，防止高空墜物造成意外傷害。

2)煙囪周邊為施工危險區(qū)，應(yīng)設(shè)明顯標(biāo)識，并在通道上設(shè)置防護(hù)棚。

3)如遇6級及以上大風(fēng)或雷雨天氣，不得進(jìn)行高空作業(yè)。

4)高空作業(yè)人員須持證上崗，系好安全帶，安全帶與安全繩須通過安全繩鎖相連，高空作業(yè)人員使用工具應(yīng)隨手裝入工具袋內(nèi)，禁止隨意拋擲。

5)垂直運輸系統(tǒng)上下滑輪應(yīng)設(shè)置防止鋼絲繩脫槽的設(shè)備，并應(yīng)由專人檢測與維護(hù)。

6)煙囪底部、工作面及地面管理人員應(yīng)配備聲光信號及通信設(shè)備。

8 結(jié)語

依托磚煙囪安全等級評定與加固改造工程，對地基基礎(chǔ)及上部承重結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件缺陷與損傷、砌筑砂漿抗壓強度、磚抗壓強度進(jìn)行現(xiàn)場檢測?？紤]加固過程中可能出現(xiàn)的問題，采用有限元軟件分析煙囪位移、應(yīng)力等，確保結(jié)構(gòu)滿足安全要求。針對現(xiàn)場檢測與有限元分析結(jié)果，有針對性地提出經(jīng)濟(jì)可行、安全可靠的加固改造方案。加固后煙囪已于2019年9月通過驗收并投入使用，目前各項功能情況良好，表明加固技術(shù)效果較好，保證了煙囪后期安全使用，延長了煙囪使用壽命。