〔摘 要〕 针对温度效应对钢筋混凝土烟囱的影响,介绍有关钢筋混凝土烟囱内衬和隔热层导热系数取值、烟气设计温度和日照温度取值以及
烟囱环向钢筋配筋率。
〔关键词〕 钢筋混凝土烟囱;温度效应
温度效应对一般的建筑结构影响不大,工程设计中往往忽略其效应或仅从结构上加以考虑,但温度效应对混凝土板、大体积混凝土、不规则
壳体、超高层建筑,包括混凝土结构施工都有影响,正因如此,在工程设计和施工中都采取相应措施来预防温度效应对混凝土结构的不利影响。就
目前的建筑水平,已经能较好地解决温度效应对一般混凝土结构的影响。温度效应对烟囱、水池等特种结构的影响比一般结构更加严重,有时甚
至影响到这类结构安全和正常使用。本文将讨论温度效应对钢筋混凝土烟囱的影响。
1 温度效应对钢筋混凝土烟囱的影响
对于火电厂钢筋混凝土烟囱而言,温度效应是筒身受损破坏的主要原因之一,当筒内烟温较低时,会因温度过低而结露导致低温腐蚀的发生;当筒
内烟温过高时,筒身会因温度应力的作用而开裂。
除了烟温影响外,还有日照、寒潮等自然环境因素对钢筋混凝土烟囱产生影响。烟气温度的作用对钢筋混凝土烟囱筒壁外侧材料将产生环向拉应
力,而日照等因素对烟囱冷筒阶段(施工期间和停炉检修期间)筒壁内侧材料要产生拉应力。从理论上讲,如果拉应力设计值达到或超过筒身混凝
土的抗拉设计强度,则筒壁产生竖向裂缝将无法避免。通过深入现场对已建多年的120 m、100 m、80m不同腐蚀条件钢筋混凝土烟囱的观察,并
走访一些多年从事烟囱施工的专业队伍,经充分研究分析,发现不少钢筋混凝土烟囱筒身普遍存在着不同程度的纵向裂缝,影响到烟囱的整体刚度
和结构强度,危及筒身安全。
2 温度应力的取值问题
作为烟囱设计方面的一个薄弱环节,温度应力的取值问题已成为设计中的一道难题。在钢筋混凝土烟囱设计中,环向应力计算一般仅考虑烟温影
响,日照、寒潮等自然环境影响一直被当作可忽视的因素,《烟囱设计规范》GB50051-2002虽然提及日照影响问题,但因缺乏必要的基础资料,未
对有关日照影响作明确的规定,只是对筒壁厚度大于450 mm和筒壁外测温度长期大于内测温度的部位,明确了应在内侧配选构造钢筋的一些规定,
而筒壁配筋则采用单层配置于外侧的常规型式。美、日、俄等国家已经在钢筋混凝土烟囱中采用了双层配筋。俄罗斯规范则明确规定,计算内部
环向钢筋时,必须考虑到烟囱在施工期间有太阳辐射而产生温差(25℃)的影响。从规范的角度看,我国烟囱设计水准起点相对较低,致使在设计中
,除需执行现行规范的有关规定外,还需采纳各地的实践经验作为对规范未明确和完善之处的补充。稍有不慎,便会导致烟囱在运行中难以满足设
计要求,出现诸如开裂、腐蚀等一系列问题。近年来,国内设计单位开展了大量的科研和调查研究,并借鉴国外设计经验,对钢筋混凝土烟囱温度
应力的各种成因、分阶段应力状态以及温度应力配筋问题等方面业已达成共识,从而使钢筋混凝土烟囱设计水平有了很大提高。
2.1 烟囱内衬、隔热材料的导热系数取值钢筋混凝土烟囱内衬、隔热材料的导热系数按规范取值不太合适。因为规范规定的内衬、隔热层材料
导热系数是按干容重状态下的取值,而实际状态恰好相反,烟囱内烟气是呈饱和状态的,对水膜式除尘器除尘的烟气则更是如此,当内衬、隔热层
受烟气蒸泡后,导热系数就远大于规范中所提供的数值。此外,烟囱在施工过程中,湿态外筒壁混凝土使封闭的隔热层受潮,加上常用的隔热材料(
如矿棉、岩棉等)吸湿性较强,导热系数必然远大于规范中给出的干态值。设计中均要根据内衬、隔热材料的性能和烟气运行条件适量放大干态
下的导热系数,放大倍数根据经验取1.5~3倍不等。如烟囱高150 m,内衬采用粘土质耐火砖,隔热层采用水泥珍珠岩制品,规范提供的导热系数λ
分别为粘土质耐火砖0.93,水泥珍珠岩制品0.16,而在设计中则分别取3.86、0.32。
2.2 日照温度和烟气温度的取值
日照温度和烟气温度取值不当也是烟囱出现纵向裂缝的因素之一。工艺提供的烟气温度设计值均以正常运行工况为准,实际生产过程中,烟气温
度因各种原因会产生变化,尤其是当发电系统发生事故后,烟气温度可能有较大的提升。在引进外资的项目中,由外方提供的烟气设计温度均考虑
了事故烟温,大大高出国内同类型项目中所采用的标准。因此,工程设计中,应适当提高烟气设计温度。至于提高多少为宜,需同工艺共同研究。
目前,许多电力设计院将烟气设计温度在工艺提供的烟气温度上提高10%。此外,无烟气影响的冷筒阶段,混凝土筒壁温度变化受当地气温、日照
、风速、风向及周围环境等因素的影响(其中日照影响随季节变化)。由于壁温的变化,筒壁内外应力状态也相应变化,时而出现拉应力,时而出现
压应力,两者随着季节的推移而交替变化着,对筒壁内表面,温度应力取决于日照温差,按照规范规定,外筒壁最高温度采用夏季极端最高气温一般
在40℃左右,而夏季太阳照射烟囱混凝土外筒壁的最高温度可达50~70℃或更高这时,筒壁内外温差将大于按大气温度计算的温差。如果设计中考
虑不当,必将造成烟囱还没有投入运行,内筒壁便开裂的不良后果。
2.3 提高烟囱环向钢筋的配筋率
按现行规范标准,烟囱温度应力控制的环向构造配筋并不符合实际情况。首先,对烟囱这样的重要结构,如果内壁开裂,则烟囱投入运行后,烟气对
筒身的腐蚀会畅通无阻直接危及烟囱的安全,因此,烟囱设计按单面配筋客观上已不允许。我国部分电算程序规定内层环向配筋率为0.1%,如果按
照国外规范,考虑太阳辐射产生温差(25℃)的影响这一配筋率偏低,由于目前没有统一的定量标准,设计人员在设计中往往根据经验而定建议内壁
配筋率以0.15%~0.25%为宜;关于壁外侧环向配筋,规范规定的构造配筋率为0.25%。实践证明,这一配筋率并不能保证烟囱在使用期间不产生温度
裂缝,特别是烟囱中上部,裂缝宽度往往超过规范允许值。有人提出:“钢筋混凝土烟囱环向构造配筋率0.2%偏低,对于高烟囱采用0.5%为宜。将
裂缝比较严重的烟囱上部1/3左右的外壁环向钢筋配筋率提高到0.4%~0.5%。”烟囱中下部通过计算得到的配筋率也应适当加大,可考虑1.1~1.2
的放大系数。许多设计者在设计钢筋混凝土烟囱时,外壁配筋率一般都取0.3%~0.5%。
3 结 语
针对温度效应对钢筋混凝土烟囱的影响,笔者根据不同高度、不同腐蚀条件钢筋混凝土烟囱设计经验和调研资料,提出有关钢筋混凝土烟囱
内衬和隔热层导热系数取值、烟气设计温度和日照温度取值以及烟囱环向钢筋配筋率,与同仁探讨,以完善国家规程规范,提高我国钢筋混凝土烟
囱设计水平。
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