摘 要: 在钢筋混凝土烟囱裂缝加固工程中采用了无粘结钢绞线预应力环箍,对加固过程进行了现场测试,经预应力环箍加固后的烟囱筒壁中建立的环向压应力在环箍处最大,其值约-1.0 mpa,环向压应力衰减较快。在1.5 m处,已降至约-0.2 mpa。这种加固方法能有效地控制已有纵向裂缝的开展并能防止新的裂缝产生。
关键词: 钢筋混凝土烟囱; 加固; 预应力环箍; 现场测试; 环向压应力
火力发电厂钢筋混凝土烟囱经多年使用后,外表面常常沿烟囱高度方向出现纵向裂缝,这种裂缝一般是由于烟囱内部温度高于外表面温度,内外表面产生较大温差,内部材料膨胀,使烟囱筒壁外表面环向受拉,当外表面环向拉应力大于混凝土抗拉强度时,筒壁混凝土即受拉裂开。现行烟囱设计规范对钢筋混凝土烟囱筒壁裂缝宽度规定的允许值为:对筒壁顶部20 m范围内,最大裂缝宽度不超过0.15 mm,下部最大裂缝宽度不超过0.30 mm。经多年使用的钢筋混凝土烟囱,常常自上而下出现多条纵向裂缝,其宽度远远超过规范最大的限值。当烟囱纵向裂缝宽度大于上述限值时,影响到烟囱的安全使用,需要对烟囱进行加固处理。常用的加固方法是沿一定的高度在烟囱外表面安装一圈环箍,以控制裂缝的继续扩宽与扩展。一般是用钢板制作的钢板箍,用螺栓联接紧固起来,以加强烟囱的整体性。由于钢板环箍在加固施工时很难沿烟囱环向张紧,环箍紧箍不足,使烟囱加固后的效果不甚显著。因而,改进加固方法,使烟囱加固后在筒壁中沿环向建立起长期的压应力,是一个十分重要的问题。
1 预应力环箍工作原理及设计
某热电厂210/5.5 m钢筋混凝土烟囱,经10余年使用后,发现顶部裂缝宽达5—6 mm,中部裂缝经用裂纹观察镜测量宽达0.9 mm,已大大超出规范的限值[1]。为了使电厂发电正常运行,保证安全生产,需要对烟囱出现的裂缝的部分进行加固处理。鉴于钢板环箍的加固效果不甚理想,经过比较分析研究后,决定采用无粘结钢绞线预应力环箍加固。
1.1 预应力环箍工作原理
预应力在混凝土结构中是一种应用较广泛的技术,预应力的基本原理是在混凝土结构构件受拉区预先施加压应力,提高混凝土结构构件的抗裂能力和刚度[2]。用预应力方法在烟囱筒壁中施加预压应力,可以限制已有的裂缝继续扩展。同时,用预应力方法施工的环箍,利用了预应力筋在弹性阶段受拉伸长后的回弹特性,其反作用对烟囱筒壁施加了长期的压缩效应,即在筒壁混凝土中建立了压应力。从理论上讲,筒壁中环向存在压应力,除使原有的裂缝不再扩大外,还可使裂缝宽度减小,并且只有在环向预压应力消失后,同时筒壁混凝土达到抗拉强度极限,才可能产生新的裂缝。无粘结预应力钢绞线环箍利用受拉伸长以后的回弹效应,紧密地作用在筒壁外表面,在筒壁外表面形成一周均匀分布的径向分布力,使筒壁长期径向受压,以达到箍紧的效果。
1.2 预应力环箍设计与施工
被加固烟囱高210 m,底部外径12 m,顶部外径5.5 m,标高85 m以下筒壁厚250 mm,85 m以上部分壁厚180 mm。从86 m处开始,每隔3.3 m设置一道环箍,烟囱原设计在筒壁内每隔10 m设有一道环梁,有环梁处不安装环箍。预应力环箍采用单束7×5的无粘结钢绞线,材料强度标准值fptk=1 750 mpa,张拉控制应
力σcon=0.65fptk,最大控制张拉力ncon=159 kn,张拉时采用应力与伸长量双重控制。标高86 m以上部分共设环箍27道,预应力钢绞线环箍施工时,用2台千斤顶两端同步张拉,在达到105%σcon时,稳定2 min,然后顶锚锚固。在无粘结钢绞线环箍与烟囱筒壁之间预先铺设一层100 mm宽钢丝网,以减小环箍对筒壁表面局部承压,减小应力集中,待锚固后,再用细石混凝土将环箍全部封闭保护。
2 筒壁受力分析与测试
2.1 筒壁受力分析
预应力环箍张拉到控制应力并锚固后,在烟囱筒壁外表面与环箍接触处,形成了一周均匀的径向分布压力,见图1。在径向分布压力作用下,沿烟囱筒壁的2个主方向产生了环向应力σθ和纵向应力σz以及相应的环向应变εθ和纵向应变εz。烟囱筒壁厚度远小于其平均半径,应作为薄壁圆筒计算,其表面上的任意一点,都是二向应力状态。当用电阻应变方法测量时,只需沿2个主应力方向测出其主应变,再按二向应力理论就可计算出各测点的主应力[3]。
2.2 测试方法与内容
1)测试内容 预应力钢绞线环箍张拉到控制应力并锚固后,在环箍一周及环箍上下各一定高度范围内的筒壁中,引起不同程度的预压应力。为了获取环箍加固后筒壁中建立的预压应力大小,在环箍张拉施工过程中进行了现场测试。通过布置在烟囱筒壁表面各测点的电阻应变计,测出各测点的应变值,经换算后,即可得到筒壁表面各测点预压应力值。现场主要测试了以下内容:筒壁环向预压应力及均匀性;筒壁混凝土预压应力沿烟囱高度的分布梯度。测试环箍一周筒壁中的预压应力,了解预应力环箍加固后,在筒壁中建立的环向预压应力的大小。测试
其均匀性,了解沿环箍一周各测点处烟囱筒壁中的预压应力值是否相同,以确定加固效果。测量烟囱筒壁预压应力的分布梯度,是在预应力环箍加固后,测量筒壁内建立的环向预压应力沿烟囱高度方向分布的大小和影响范围,探讨设计环箍之间的间距是否合理,能不能达到预期的设计目的。为今后同类加固提供参数和设计依据。
2)测点布置 根据测试内容,分别在各测点布置应变计。测量预应力环箍在烟囱筒壁混疑土中环向引起的压应力时,在离环箍上100 mm处筒壁表面安装应变计;测定沿环箍一周筒壁混凝土中压应力的均匀性时,沿环箍一周分为4等份安装应变计;测定筒壁混凝土中预压应力沿烟囱高度方向分布梯度时,在环箍上、下各1.5 m的范围内,沿高度方向同一垂直线上每隔0.5 m布置应变计。筒壁表面为二向应力状态,只需测量环向及纵向应变,在每测点沿环向和纵向相互垂直各布置一片应变片,选择应变片的栅长应注意混凝土骨料粒径的影响。
3)筒壁应变测量 各测点应变值的测读与记录分别在钢绞线张拉到最大张拉力值的0%、10%、100%及锚固后分级进行。应变测量仪器为yj-25型静态电阻应变仪。
3 测试结果及分析
根据设计院提供的数据,烟囱筒壁混凝土强度等级为:烟囱高度140 m以下部分为c23,弹性模量[4]ec=2.7×104mpa;高度140 m以上部分为c18,弹性模量ec=2.4×104mpa;泊松比μ=0.2。
依据各测点实测应变,按二向应力状态,计算公式为σθ=ec1-μ2(εθ+μεz) σz=ec1-μ2(εz+μεθ)烟囱纵向各测点处筒壁环向应力的测试结果见表1。由于筒壁厚度较薄,因而可以认为环向应力σθ沿壁厚呈均匀分布。在预应力环箍张拉过程中,用电阻应变方法测得了筒壁外表面沿高度z方向的各测点环向应变,在环箍处的环向应变最大,随着离开环箍距离的增加,测点的应变很快衰减,在离开环箍1.5 m远处,应变已很小。由所测环向应变换算的应力沿烟囱高度方向各测点的连线是一条曲线。测试结果表明,由于预应力钢绞线环箍的作用,在钢筋混凝土烟囱筒壁中产生了预期的环向压应力。在环箍作用处,测得筒壁表面的环向压应力最大,其值约为-1.0 mpa;沿烟囱高度方向,环箍上下各1.5 m范围内,环向压应力产生了明显的加固应力梯度。随着离开环箍距离的增加,环向压应力似以指数规律衰减[5],趋势为零,见图3。所测得另一方向应力σz较小,对烟囱筒壁影响不大。测试结果发现,位于烟囱下部的环箍产生的环向压应力小于上部环箍产生的环向压应力,实测环向压应力从下往上逐渐增大。经分析,烟囱表面有一定的坡度,烟囱半径下大上小,环箍产生的径向压力可表示为q=ncon/r,其中,r为环箍半径;ncon为环箍张拉力。ncon与r的比值q随着烟囱半径变化,位于烟囱下部的环箍半径r较大,q较小,越往烟囱上部,环箍半径r越小,则q越大。筒壁中由预应力环箍建立的环向压应力与q的大小直接相关,从下往上,随着q的逐渐增大而增大。测点位置/m实测筒壁环向应力/mpa+1.5 -0.15 -0.18 -0.20 -0.20 -0.19+1.0 -0.44 -0.33 -0.32 -0.34 -0.33 -0.37 -0.36 -0.38+0.5 -0.66 -0.65 -0.64 -0.63 -0.58 -0.65 -0.68 -0.62+0.1 -1.02 -1.03 -1.04 -1.06 -1.07 -1.09 -1.12 -1.140 (93.0) (113.0) (133.0) (153.0) (163.0) (173.0) (183.0) (196.0)-0.5 -0.61 -0.57 -0.59 -0.65 -0.64 -0.61 -0.62 -0.64-1.0 -0.41 -0.38 -0.33 -0.32 -0.34 -0. 40 -0.36 -0.41-1.5 -0.20 -0.20 -0.21
注:表1括号中数字为环箍所在高度,单位为m;测点位置“+”、“-”表示环箍以上或以下烟囱筒壁上应变测点位置。经预应力环箍加固后,烟囱筒壁将长期处于环向受压状态,控制了已有裂缝的开展,防止了新的裂缝产生。只有当预应力钢绞线环箍的预拉力完全丧失,失去对筒壁的环向约束作用后,才会有出现新裂缝的可能。在烟囱高度方向环箍上下各1.5 m处应变测点测到了环向压应力,说明加固效应影响到环箍上下各1.5m高处,据此,上下相邻2道环箍的距离可取为小于等于3 m。
4 结 论
a.采用无粘结预应力钢绞线环箍加固烟囱,是一项新的工程应用技术。预应力环箍利用钢绞线张拉伸长后的回弹特性,长期与烟囱外表面紧密相箍,在环箍处产生一周径向分布压力。
b.现场测试表明,烟囱筒壁内建立了有效的环向预压应力,沿烟囱高度方向产生了明显的加固应力梯度。由于沿烟囱高度方向的应力σz极小,可忽略不计,认为只有环向压应力σθ。
c.由于环向预压应力的约束,不仅控制了原有裂缝扩展,还能防止筒壁产生新的裂缝。表明加固设计思想是合理的,加固施工是成功的,达到了预期的效果。
d.综上所述,钢筋混凝土烟囱出现过大的纵向裂缝,影响安全性,需要加固时,采用无粘结预应力钢绞线环箍进行加固,是一种效果很好的方法,这一新的加固的技术是值得推广的。
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