溫度效應(yīng)對一般的建筑結(jié)構(gòu)影響不大,工程設(shè)計中往往忽略其效應(yīng)或僅從結(jié)構(gòu)上加以考慮,但溫度效應(yīng)對混凝土板、大體積混凝土、不規(guī)則殼體、超高層建筑,包括混凝土結(jié)構(gòu)施工都有影響,正因如此,在工程設(shè)計和施工中都采取相應(yīng)措施來預(yù)防溫度效應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響。就目前的建筑水平,已經(jīng)能較好地解決溫度效應(yīng)對一般混凝土結(jié)構(gòu)的影響。溫度效應(yīng)對煙囪、水池等特種結(jié)構(gòu)的影響比一般結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)重,有時甚至影響到這類結(jié)構(gòu)安全和正常使用。本文將討論溫度效應(yīng)對鋼筋混凝土煙囪的影響。
1 溫度效應(yīng)對鋼筋混凝土煙囪的影響
對于火電廠鋼筋混凝土煙囪而言,溫度效應(yīng)是筒身受損破壞的主要原因之一,當(dāng)筒內(nèi)煙溫較低時,會因溫度過低而結(jié)露導(dǎo)致低溫腐蝕的發(fā)生;當(dāng)筒內(nèi)煙溫過高時,筒身會因溫度應(yīng)力的作用而開裂。
除了煙溫影響外,還有日照、寒潮等自然環(huán)境因素對鋼筋混凝土煙囪產(chǎn)生影響。煙氣溫度的作用對鋼筋混凝土煙囪筒壁外側(cè)材料將產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力,而日照等因素對煙囪冷筒階段(施工期間和停爐檢修期間)筒壁內(nèi)側(cè)材料要產(chǎn)生拉應(yīng)力。從理論上講,如果拉應(yīng)力設(shè)計值達(dá)到或超過筒身混凝土的抗拉設(shè)計強度,則筒壁產(chǎn)生豎向裂縫將無法避免。通過深入現(xiàn)場對已建多年的120 m、100 m、80m不同腐蝕條件鋼筋混凝土煙囪的觀察,并
走訪一些多年從事煙囪施工的專業(yè)隊伍,經(jīng)充分研究分析,發(fā)現(xiàn)不少鋼筋混凝土煙囪筒身普遍存在著不同程度的縱向裂縫,影響到煙囪的整體剛度和結(jié)構(gòu)強度,危及筒身安全。
2 溫度應(yīng)力的取值問題
作為煙囪設(shè)計方面的一個薄弱環(huán)節(jié),溫度應(yīng)力的取值問題已成為設(shè)計中的一道難題。在鋼筋混凝土煙囪設(shè)計中,環(huán)向應(yīng)力計算一般僅考慮煙溫影響,日照、寒潮等自然環(huán)境影響一直被當(dāng)作可忽視的因素,《煙囪設(shè)計規(guī)范》GB50051-2002雖然提及日照影響問題,但因缺乏必要的基礎(chǔ)資料,未對有關(guān)日照影響作明確的規(guī)定,只是對筒壁厚度大于450 mm和筒壁外測溫度長期大于內(nèi)測溫度的部位,明確了應(yīng)在內(nèi)側(cè)配選構(gòu)造鋼筋的一些規(guī)定,而筒壁配筋則采用單層配置于外側(cè)的常規(guī)型式。美、日、俄等 已經(jīng)在鋼筋混凝土煙囪中采用了雙層配筋。俄羅斯規(guī)范則明確規(guī)定,計算內(nèi)部環(huán)向鋼筋時,必須考慮到煙囪在施工期間有太陽輻射
而產(chǎn)生溫差(25℃)的影響。從規(guī)范的角度看,我國煙囪設(shè)計水準(zhǔn)起點相對較低,致使在設(shè)計中,除需執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范的有關(guān)規(guī)定外,還需采納各地的實踐經(jīng)驗作為對規(guī)范未明確和完善之處的補充。稍有不慎,便會導(dǎo)致煙囪在運行中難以滿足設(shè)計要求,出現(xiàn)諸如開裂、腐蝕等一系列問題。近年來,國內(nèi)設(shè)計單位開展了大量的科研和調(diào)查研究,并借鑒國外設(shè)計經(jīng)驗,對鋼筋混凝土煙囪溫度應(yīng)力的各種成因、分階段應(yīng)力狀態(tài)以及溫度應(yīng)力配筋問題等方面業(yè)已達(dá)成共識,從而使鋼筋混凝土煙囪設(shè)計水平有了很大提高。
2.1 煙囪內(nèi)襯、隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)取值鋼筋混凝土煙囪內(nèi)襯、隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)按規(guī)范取值不太合適。因為規(guī)范規(guī)定的內(nèi)襯、隔熱層材料導(dǎo)熱系數(shù)是按干容重狀態(tài)下的取值,而實際狀態(tài)恰好相反,煙囪內(nèi)煙氣是呈飽和狀態(tài)的,對水膜式除塵器除塵的煙氣則更是如此,當(dāng)內(nèi)襯、隔熱層受煙氣蒸泡后,導(dǎo)熱系數(shù)就遠(yuǎn)大于規(guī)范中所提供的數(shù)值。此外,煙囪在施工過程中,濕態(tài)外筒壁混凝土使封閉的隔熱層受潮,加上常用的隔熱材料(如礦棉、巖棉等)吸濕性較強,導(dǎo)熱系數(shù)必然遠(yuǎn)大于規(guī)范中給出的干態(tài)值。設(shè)計中均要根據(jù)內(nèi)襯、隔熱材料的性能和煙氣運行條件適量放大干態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù),放大倍數(shù)根據(jù)經(jīng)驗取1.5~3倍不等。如煙囪高150 m,內(nèi)襯采用粘土質(zhì)耐火磚,隔熱層采用水泥珍珠巖制品,規(guī)范提供的導(dǎo)熱系數(shù)λ分別為粘土質(zhì)耐火磚0.93,水泥珍珠巖制品0.16,而在設(shè)計中則分別取3.86、0.32。
2.2 日照溫度和煙氣溫度的取值
日照溫度和煙氣溫度取值不當(dāng)也是煙囪出現(xiàn)縱向裂縫的因素之一。工藝提供的煙氣溫度設(shè)計值均以正常運行工況為準(zhǔn),實際生產(chǎn)過程中,煙氣溫度因各種原因會產(chǎn)生變化,尤其是當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生事故后,煙氣溫度可能有較大的提升。在引進(jìn)外資的項目中,由外方提供的煙氣設(shè)計溫度均考慮了事故煙溫,大大高出國內(nèi)同類型項目中所采用的標(biāo)準(zhǔn)。因此,工程設(shè)計中,應(yīng)適當(dāng)提高煙氣設(shè)計溫度。至于提高多少為宜,需同工藝共同研究。目前,許多電力設(shè)計院將煙氣設(shè)計溫度在工藝提供的煙氣溫度上提高10%。此外,無煙氣影響的冷筒階段,混凝土筒壁溫度變化受當(dāng)?shù)貧鉁�、日照、風(fēng)速、風(fēng)向及周圍環(huán)境等因素的影響(其中日照影響隨季節(jié)變化)。由于壁溫的變化,筒壁內(nèi)外應(yīng)力狀態(tài)也相應(yīng)變化,時而出現(xiàn)拉應(yīng)力,時而出現(xiàn)壓應(yīng)力,兩者隨著季節(jié)的推移而交替變化著,對筒壁內(nèi)表面,溫度應(yīng)力取決于日照溫差,按照規(guī)范規(guī)定,外筒壁 溫度采用夏季極端 氣溫一般在40℃左右,而夏季太陽照射煙囪混凝土外筒壁的 溫度可達(dá)50~70℃或更高這時,筒壁內(nèi)
外溫差將大于按大氣溫度計算的溫差。如果設(shè)計中考慮不當(dāng),必將造成煙囪還沒有投入運行,內(nèi)筒壁便開裂的不良后果。
2.3 提高煙囪環(huán)向鋼筋的配筋率
按現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),煙囪溫度應(yīng)力控制的環(huán)向構(gòu)造配筋并不符合實際情況。首先,對煙囪這樣的重要結(jié)構(gòu),如果內(nèi)壁開裂,則煙囪投入運行后,煙氣對筒身的腐蝕會暢通無阻直接危及煙囪的安全,因此,煙囪設(shè)計按單面配筋客觀上已不允許。我國部分電算程序規(guī)定內(nèi)層環(huán)向配筋率為0.1%,如果按照國外規(guī)范,考慮太陽輻射產(chǎn)生溫差(25℃)的影響這一配筋率偏低,由于目前沒有 的定量標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計人員在設(shè)計中往往根據(jù)經(jīng)驗而定建議內(nèi)壁配筋率以0.15%~0.25%為宜;關(guān)于壁外側(cè)環(huán)向配筋,規(guī)范規(guī)定的構(gòu)造配筋率為0.25%。實踐證明,這一配筋率并不能保證煙囪在使用期間不產(chǎn)生溫度裂縫,特別是煙囪中上部,裂縫寬度往往超過規(guī)范允許值。有人提出:“鋼筋混凝土煙囪環(huán)向構(gòu)造配筋率0.2%偏低,對于高煙囪采用0.5%為宜。將
裂縫比較嚴(yán)重的煙囪上部1/3左右的外壁環(huán)向鋼筋配筋率提高到0.4%~0.5%。”煙囪中下部通過計算得到的配筋率也應(yīng)適當(dāng)加大,可考慮1.1~1.2的放大系數(shù)。許多設(shè)計者在設(shè)計鋼筋混凝土煙囪時,外壁配筋率一般都取0.3%~0.5%。
3 結(jié) 語
針對溫度效應(yīng)對鋼筋混凝土煙囪的影響,筆者根據(jù)不同高度、不同腐蝕條件鋼筋混凝土煙囪設(shè)計經(jīng)驗和調(diào)研資料,提出有關(guān)鋼筋混凝土煙囪內(nèi)襯和隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)取值、煙氣設(shè)計溫度和日照溫度取值以及煙囪環(huán)向鋼筋配筋率,與同仁探討,以完善 規(guī)程規(guī)范,提高我國鋼筋混凝土煙囪設(shè)計水平。
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