高聳煙囪工程破壞案例綜述?

王磊 樊星妍 劉偉 梁樞果

(1.河南理工大學土木工程學院 焦作454000; 2.武漢大學土木建筑工程學院 430072)

引言

高聳煙囪結構的筒體中空壁薄、橫截面小、高寬比大,是一種典型的高柔結構。從煙囪結構材料類型來看,有磚煙囪、混凝土煙囪、鋼煙囪等。長期以來,高聳煙囪的破壞實例屢見不鮮。從煙囪破壞致因來說,有地震作用、橫風向共振、順風向風荷載、溫度應力、外部沖擊等。大量學者對一些煙囪的破壞實例進行了個案分析[1-4]和統計總結。Diaz[5]、Pallarés[6]等人對煙囪的常見破壞類型進行了分類,Minghini[2]分析了可能導致掉頭、倒塌和筒體局部破壞的原因。López-Pati?o[7]通過調查,分析了反復作用力、特殊災害和生物入侵等破壞原因。在國內,李[8]按高度分段,調查了某煉鋼車間兩座磚煙囪,認為裂縫主要是由溫度控制不當和施工留有缺陷引起的。呂[9]對62 座煙囪裂縫的形成和分布進行了分析。于[10,11]對53 座鋼混煙囪調查后,探討了煙囪產生過大裂縫的原因和改進方法,并提出裂縫等級的概念。蘇[12]在唐山地震后搜集了多座煙囪的震害資料,依據這些資料分析了這些煙囪的震害規律和特征。

從既有研究結論來看,煙囪破壞特征和破壞原因是多方面的。既有文獻多是針對某種破壞因素或某種材料類型的煙囪進行統計總結或個案分析。但是,同時涉及多種破壞因素和材料類型的更為全面的統計總結卻鮮有報道。鑒于此,本文盡可能地查閱了目前所有見諸報道的相關文獻,對739 座煙囪破壞實例進行了統計分析,集中介紹磚煙囪、鋼混煙囪和鋼煙囪在橫風向共振、順風向風荷載、溫度應力、地震、施工等因素造成的一些破壞案例。并通過大量的統計總結,得到了一些規律性的結論,旨在提高人們對煙囪破壞的宏觀認識,為相關設計、施工和研究人員提供參考。

1 煙囪破壞原因簡介

本節分類簡要介紹導致高聳煙囪破壞的原因,并列舉一些相應的實際案例。

1.1 橫風向渦激共振

1.破壞機理[13-19]

來流吹向圓柱體,在柱體兩側的交替旋渦會形成橫向力,迫使結構垂直于風向振動,見圖1。當渦脫頻率接近柱體自振頻率時可能發生渦激共振。渦激共振會造成結構橫向位移顯著增大,具有較強破壞力。以混凝土結構來說,渦激共振可能導致結構縱向鋼筋屈服,最終產生橫向裂紋甚至破壞,見圖2a。

圖1 漩渦脫落示意Fig.1 Vortex shedding

2.破壞案例

1976 年,國外某140m 高鋼質煙囪,因渦致共振而倒塌[20]。1983 年,白云石窯煙囪的垂直鉚接搭接接頭失效,評估后認為這是渦激振動的結果[21]。1991 年,兩座120m 的相同鋼制煙囪,在試用期間整個支撐結構發生交叉振動并最終導致鋼焊縫開裂[22]。1997 年,費耶特電力公司3號煙囪發生嚴重風致振動,最終造成裂縫出現[23]。2007 年,Kawecki 分析了一座100m 高的新建鋼煙囪因渦激振動而發生部分螺栓兩次破壞的事故[24]。在國內,天津某廠90m 高鋼煙囪,在4、5 級風情況下發生共振,最大振幅達1.76m,最終導致螺栓斷裂破壞[25]。某煉油廠一80m 高鋼煙囪,在6 級風速下發生劇烈渦振,振動幅值達0.45m,最終考慮采用專門的加固和減振措施[26]。1994、1996 年,天津和廣東有兩座煙囪由于橫風向渦激共振在大風時坍塌[27]。牡丹江某60m 鋼煙囪考慮橫風向共振,在60m 改造至100m的過程中,由自立式改為了塔架式(圖2b)[28]。

圖2 渦激共振造成的煙囪破壞Fig.2 Chimney damage caused by vortex-induced resonance

長期以來,渦激共振造成的煙囪破壞一直備受研究人員的重視。諸多學者針對工程算例、規范條文、計算理論等方面進行了有益的研究[29-35]。總結而言,既有不同計算理論和規范方法得到的煙囪響應不盡相同,這是值得思考研究的一個方面。

1.2 順風向風荷載

1.破壞機理

風吹向圓截面柱體表面,在柱體迎風面產生正壓,在側面和背風面產生負壓,兩種壓力之和為順風向風致靜力,該靜力乘上風振系數即為順風向等效風荷載。當順風向等效風荷載過大,可能造成煙囪承載能力不足而發生破壞。

2.破壞案例

通常認為,順風向振動是一種窄帶隨機振動,不具發散性,破壞力并不顯著。但是,也有一些調查發現[7,36],部分煙囪長期在盛行風作用下煙囪頂部有一定順風向位移,使煙囪產生永久彎曲變形,并造成煙囪出現縱向裂縫,見圖3。這種破壞與人們的常規認知有所不同,需要給予注意。

圖3 順風向風荷載造成的煙囪破壞[3,36]Fig.3 Chimney damage caused by downwind wind load[3,36]

關于風荷載造成的煙囪破壞,還有環向風壓不均勻性、干擾效應等,鑒于此類破壞案例不多,且還有待考證[37],本文不再討論。

1.3 溫度應力

1.破壞機理

眾多學者研究總結了溫度應力導致煙囪破壞的原理[46-52]。簡單來說,以單筒煙囪為例(圖4),溫度應力造成的破壞通常是由于隔熱和內襯設計不合理造成的。當筒內煙溫較低時,內襯會因溫度過低而結露導致低溫腐蝕的發生,因而溫度的作用常常伴隨著腐蝕的出現。煙囪排氣時筒內較高,由于熱脹冷縮,筒壁外表面可能因拉應力作用而開裂。在施工和停爐檢修期間,在日光照射下,筒內溫度相對低,筒壁內表面則會因拉應力而產生豎向裂縫。

圖4 筒身傳熱形成溫度應力原理Fig.4 Principle of temperature stress formation

2.破壞案例

某45m 磚煙囪外筒壁存在長約25m 的豎向裂縫,縫寬達到20mm,經調查該煙囪頂部無內襯和空氣隔熱層[38],見圖5。某煙囪在隔熱層和內襯層未全部砌筑完成時就點爐生產,造成多條寬度達30mm、40mm 豎直裂縫。某廠煙囪在施工過程中在7.5m 處增加一整圈混凝土耐酸圈梁,由于圈梁的線膨脹系數是內襯磚的兩倍,受到高溫煙氣后煙囪出現大量豎向裂縫、圈梁橫向裂成多塊[39]。印度內韋利熱電站60m 鋼混煙囪,由于耐火磚內襯與筒壁之間的空氣層填滿了粉煤灰,隔熱效果降低,運行10 年后外壁產生寬度3mm 的豎直裂縫。沈陽冶煉廠120m 煙囪,由于內襯設計不合理,內外的溫差梯度致使筒壁出現貫穿裂縫,爬梯、信號臺等被煙氣腐蝕[40]。銅陵110m 鋼混煙囪在建成兩年后才進行內襯施工,施工時發現混凝土內壁出現收縮開裂[40,41]。秦嶺212m、十里泉180m、寶雞80m、玉門80m 四座煙囪,中上部出現多處深度為2mm ～8mm 的裂縫[42]。重慶某公司60m 煙囪[43]、湘鋼燒結廠45m 磚煙囪[44]等多個排氣煙囪都存在由于溫度應力而導致的筒體開裂甚至倒塌現象。煙囪在考慮溫度作用后,煙囪頂點水平位移、頂點水平速度發生顯著的變化,而且溫度越高影響越顯著,會加劇破壞情況[45]。

圖5 溫度應力導致的煙囪破壞[38]Fig.5 Chimney damage caused by temperature stress[38]

1.4 地震作用

1.破壞機理

地震分為水平地震和豎向地震,諸多學者對地震作用的破壞機理進行了有益的研究[63-68]。豎向地震下結構各部位僅做上下振動,振動模型中每一個質點僅有一個自由度。水平地震下結構以剪力為主,水平振動時結構各部位發生左右(前后)位移。一般認為,水平和豎向地震均有可能造成煙囪的破壞,當結構無法承受地震造成的慣性力時則會發生結構或構件破壞。唐山地震后,研究人員先后在唐山、天津和北京等地調查了包括磚煙囪、鋼混煙囪和帶水箱煙囪等的破壞情況,發現煙囪的震害形式是較為復雜的[12],有水平裂縫、斜裂縫、豎直裂縫、螺旋裂縫、環縫、酥裂崩落、扭轉、掉頭等。

2.破壞案例

1976 年,唐山陡河電廠180m 鋼混煙囪在7.8 級地震作用下在130.5m 處出現裂縫,裂縫寬度達到20mm ～30mm,當天下午發生7.1 級余震,頂部50m 范圍內開始搖晃,最終在標高為130.5 m 處發生倒塌[53]。1996 年,包頭6.4 級地震中,進行加固處理的煙囪以及筒壁內配了豎向鋼筋的磚煙囪未發生破壞,而未經加固的老式磚煙囪均在不同程度上發生了破壞。八一公園內一座30m 高的磚煙囪頂部發生斷裂; 包鋼廠一座磚水塔在筒身中下部發現水平錯動[54]。汶川地震后,研究人員對德陽、成都地區磚煙囪進行現場調查,德陽某水泥廠煙囪水平錯動; 德陽鋼鐵實業公司45m 高煙囪在距頂端15m 處水平斷裂;某廠房兩個煙囪出現斜向掉頭和水平掉頭現象[55],見圖6。國外亦存在眾多因地震導致的煙囪破壞事故[3,56-60],見圖7。

圖6 地震作用下破壞的煙囪(國內)[55]Fig.6 Chimney destroyed by earthquake (domestic)[55]

圖7 西班牙卡羅爾地震作用下損壞的某煙囪(國外)[3]Fig.7 A chimney damaged by the earthquake in Carroll,Spain (foreign)[3]

1.5 施工原因

印度某電廠煙囪事故調查發現,頂部混凝土養護齡期不足,在強風的反復作用下混凝土開裂破壞[9]。我國某廠煙囪,在隔熱層和內襯層未砌到頂部就開工生產,造成煙囪頂部多道豎直裂縫[39]。某電廠260m 煙囪在煙道口上方形成八字形裂縫,是由于孔洞附近產生應力集中現象,在荷載作用下孔洞局部范圍內應力顯著增大,引起筒體產生疲勞裂紋[69]。在汶川縣8.0 級地震后,對西安某150m 鍋爐房鋼混煙囪倒塌原因進行分析,發現強震是誘導因素,但施工過程中留下非正常施工縫也是造成倒塌的主要原因[70],見圖8a。西北電力設計院對多座煙囪的實地考察表明,煙囪裂縫的大小和各種施工方法有很大關系[71]。某電廠150m 煙囪采用滑模工藝施工,因施工技術水平沒達到要求,造成100m 處出現鼓肚及多道水平裂縫[72]。某80m 單筒式煙囪由于施工采用了早強水泥且養護條件較差,導致外筒壁出現多條縱向和環向裂縫[73],見圖8b。華北地區某高205m 鋼混煙囪,現場澆筑振搗后,澆筑層出現離析,剛澆完的混凝土出現水平通縫,調查發現原因是施工方用于拌制混凝土的細骨料不滿足要求,混凝土入模前也未進行二次攪拌等施工質量問題[74]。

圖8 施工原因造成的煙囪破壞Fig.8 Chimney damage caused by construction reasons

1.6 其他原因

除了上述原因外,還有一些其他原因可能導致高聳煙囪破壞,如爆炸、雷擊、外部沖擊、使用不當和生物入侵等等。動物、植被、真菌等生物入侵會對煙囪造成破壞。例如,植物生長造成某煙囪筒身出現裂縫和破碎[3],見圖9a。某煉鋼車間兩座磚煙囪,煙塵量增大而產生二次燃燒,導致混凝土筒壁開裂[8]。邯鋼某煙囪內部產生爆炸,造成頂部出現多道不規則裂縫,隨時有倒塌的危險[75]。印度某煙囪,在施工高度為240m 時瞬間倒塌,有分析認為該鋼筋混凝土煙囪突然倒塌是雷擊造成的[76]。2012 年位于葡萄牙吉馬良斯的某煙囪被閃電擊中,造成筒壁出現兩個明顯的開口[77],見圖9b、9c。

圖9 其他原因造成的煙囪破壞Fig.9 Chimney damage caused by other causes

2 結構破壞統計分析

本研究共收集了739 座煙囪結構的破壞情況,其中磚煙囪531 座、鋼煙囪24 座、鋼混煙囪184 座。所采用的文獻資料均描述了事故的發生過程和原因,具有較高可信度。

2.1 煙囪破壞等級統計

參考既有的分類標準,對739 座煙囪按破壞等級分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和掉頭或倒塌五個等級,見表1。圖10 為不同破壞等級煙囪占比情況,其中中等破壞以上的煙囪共355 座,即約一半煙囪破壞程度比較嚴重,需要加強、特殊處理或拆除重建。

表1 煙囪破壞基本情況調查Tab.1 Chimney damage basic situation questionnaire

圖10 煙囪破壞等級占比Fig.10 Chimney damage level distribution

2.2 破壞致因統計

表2 給出了部分煙囪的破壞原因統計情況。通過表2 可以看出,煙囪破壞是由多種破壞因素造成的。如果僅從各個煙囪破壞的第一主因來說,以地震破壞的數目最多,達到了67%; 其次是溫度應力,破壞占比21%。

表2 結構破壞原因分析Tab.2 Analysis of the causes of structural damage

2.3 破壞致因與材料類型的關系

圖11 為同一致因下,磚煙囪、鋼煙囪和鋼混煙囪破壞的占比情況。從表中分析可得,鋼煙囪的破壞均是由風荷載造成,占風致破壞總數的75%。這是因為鋼煙囪的高度大、質量輕、阻尼小等特點,更易發生渦激共振。地震因素中磚煙囪破壞達到了90%以上,相對而言,鋼混煙囪抗震性能較好,鋼煙囪無破壞案例。顯然,這是因為磚煙囪抗彎抗剪能力較差,磚砌體脆性大、延性低。溫度原因中鋼混煙囪破壞達到了69.8%,磚煙囪破壞達到30.2%; 施工因素造成的破壞案例中鋼混煙囪占60%。其他破壞因素造成的磚煙囪和鋼混煙囪破壞各占50%。

圖11 同一致因各類型煙囪破壞占比直方圖Fig.11 Same cause of various types of chimneys

由于磚煙囪往往存在年久失修等問題,磚煙囪在地震中破壞數目巨大。考慮這一因素,圖12給出了除磚煙囪外,各致因造成的破壞數目占比情況。考慮其他原因造成的煙囪破壞僅占1%,圖12 中并未給出,下文也不再論述。從圖12 可以看出,溫度應力造成的鋼混煙囪的破壞約為50%,地震、施工和風荷載占比相當。

2.4 破壞致因與破壞等級的關系

圖13 為各因素產生煙囪破壞的平均等級。從圖中可以看出,各因素造成破壞的嚴重程度由重到輕依次為風、地震、溫度、施工。其中,風致破壞平均等級在4 級以上,說明風致破壞一旦發生,造成的破壞往往比較嚴重,這是值得注意的一個問題。

2.5 破壞致因與煙囪高度的關系

圖14 為不同原因造成破壞的煙囪高度平均值。通過圖14 可以看出,由于地震原因造成破壞的煙囪平均高度相對較低,約為75m,這是因為年久失修而高度相對較低的磚煙囪在地震作用下破壞實例較多。溫度原因造成破壞的煙囪平均高度約為85m,這是因為由于溫度原因造成破壞的煙囪多數為火電廠或冶金廠拔氣煙囪,其中不乏一些高度較低的磚煙囪。施工原因造成破壞的煙囪平均高度約為100m。風致破壞的煙囪平均高度約為130m,這印證了相對較高的煙囪更易在風的作用下破壞。

圖12 不同致因造成的煙囪破壞占比Fig.12 Destruction pie chart caused by different causes

圖13 各因素造成破壞的嚴重程度Fig.13 Severity of the damage caused by various factors

圖14 不同致因下破壞煙囪的平均高度Fig.14 Average height of the chimney under different causes

2.6 煙囪高度與破壞等級的關系

圖15 為不同破壞等級煙囪的平均高度。通過圖15 可以看出,隨著破壞高度的增大,煙囪破壞等級也大致在逐步提高。低等級破壞的煙囪高度大都在130m 以下,煙囪高度超過130m 后,破壞等級往往大于3 級。造成這一結果的原因之一是,高煙囪一般為鋼煙囪或混凝土煙囪,其自身強度高,不易出現筒體開裂的情況; 另一方面是煙囪高度較高,觀測難度較大,一些裂縫在初期可能會被忽視。

圖15 不同破壞等級下煙囪的平均高度Fig.15 Average height of the chimney at different levels of damage

3 結論

煙囪作為典型的高聳結構之一,發生破壞的工程事故眾多,且破壞程度比較嚴重,這是需要重視的一個問題。本文集中介紹了眾多破壞案例,并得到了一些規律性的結論,旨在提高人們對煙囪破壞的宏觀認識。主要結論如下:

1.煙囪的破壞原因有風荷載、溫度應力、地震作用、施工問題和其他因素等。從破壞第一致因來說,地震破壞的數目最多,占比達到67%;其次是溫度應力,占21%。不考慮磚煙囪時,溫度應力造成破壞約占50%,地震、施工和風荷載占比相當。

2.從煙囪材料來看,鋼煙囪的破壞均是由風荷載造成,占風致破壞煙囪總數的75%。地震造成破壞的煙囪中,90%為磚煙囪。溫度原因和施工原因造成的破壞以鋼混煙囪為主,占比超過60%。

3.各因素造成破壞的嚴重程度由重到輕依次為風、地震、溫度、施工。其中,風致破壞平均等級在4 級以上,說明風致破壞一旦發生,造成的破壞往往比較嚴重。

4.順風向風荷載通常不會造成煙囪破壞,但長期在盛行風作用下煙囪頂部存在順風向位移,可能使煙囪產生永久彎曲變形,并造成煙囪出現縱向裂縫,這是一個與常規認知不盡相同的、需要注意的方面。

5.各因素造成破壞煙囪的平均高度從高到低依次為風、施工、溫度、地震。這一現象的原因主要與不同高度煙囪的材質有關。

6.隨著破壞高度的增大,煙囪破壞等級呈增大趨勢。低等級破壞的煙囪高度大都在130m 以下,煙囪高度超過130m 后,破壞等級往往大于3 級。這一結果的原因之一是,高煙囪一般為鋼煙囪或混凝土煙囪,其自身強度高,不易出現筒體開裂的情況; 且煙囪高度較大時觀測難度較大,一些裂縫在初期易被忽視。