磚煙囪安全等級評定與加固技術*

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50年代至80年代，為促進生產，加快我國工業化建設，作為工業生產的必備構筑物，煙囪被大量修建。其中，磚煙囪以取材方便、施工簡單、成本低廉等優點被廣泛應用于工業與民用建筑中，占比較大。經長期使用后，磚煙囪出現材料老化、筒身開裂、地基傾斜等現象。相比拆除重建，在滿足正常使用條件下對既有煙囪進行加固改造，既可節省原材料，又能避免大量建筑垃圾的產生，縮短建設周期，延長煙囪使用壽命。對既有煙囪進行加固改造，實現修復再利用，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湯山街道圣湖西路兩側、陽明山莊以東、昆元水泥廠和銀佳水泥廠內，如圖1所示。其中，1～3號煙囪為砌體結構，采用燒結普通磚、混合砂漿砌筑，內部無內襯或隔熱層，建成于20世紀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 加固煙囪所在區域

2 施工重難點

1)為避免搭設高空操作架導致體量大、工期長、造價高等問題，研發自懸掛提升鋼平臺，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定性進行分析，確保施工過程中自懸掛提升鋼平臺安全、穩定。

2)基于BIM技術建立自懸掛提升鋼平臺與鋼箍帶三維模型，并對模型進行分割，提取數據，實現精準加工，工廠化制作、裝配化安裝，以提高施工效率，保證施工質量。

3)將煙囪三維模型導入有限元軟件，分析煙囪內力與位移，并對加固過程中的應力、應變等進行監測，確定合理工序，確保加固過程穩定、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進行加固，對寬度較大的裂縫采用高強度水泥基材料進行壓力灌漿，對寬度較小的裂縫采用聚合物砂漿進行填充，實現快速、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備，設備構造簡單，抗腐蝕性及耐久性較好，可有效防止結構二次侵蝕。

3 現場檢測

為了解煙囪現狀，為后續加固提供技術依據，需根據現場實際情況，對地基基礎及上部承重結構、結構構件缺陷與損傷、砌筑砂漿抗壓強度、磚抗壓強度進行檢測。

3.1 地基基礎及上部承重結構檢測

對地基基礎及上部承重結構進行現場檢測，未見因基礎整體或不均勻沉降引起的上部結構開裂、變形和位移等現象，地基基礎工作狀態正常。

3.2 結構構件缺陷與損傷檢測

根據現場實際情況對煙囪構件缺陷與損傷進行檢測，發現煙囪四周表面存在不規則裂縫，裂縫最大寬度約25mm。檢測部位磚砌體砌筑方法正確，內外搭砌，上下錯縫，部分燒結磚出現風化跡象。

3.3 砌筑砂漿抗壓強度檢測

依據JGJ/T 136—2017《貫入法檢測砌筑砂漿抗壓強度技術規程》有關規定，并結合現場實際情況，采用貫入法對煙囪砌筑砂漿抗壓強度進行檢測。根據檢測結果，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DGJ32/TJ 114—2011《回彈法檢測砌體中磚抗壓強度技術規程》有關規定，并結合現場實際情況，采用回彈法對隨機抽取的3個部位磚抗壓強度進行檢測。根據檢測結果，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行加固改造，首先需對煙囪進行有限元分析，得到需補強的位置和關鍵點，從而提高加固效果。結合有限元分析結果，依據GB 51056—2014《煙囪可靠性鑒定標準》進行煙囪安全等級評定。

4.1 建立模型

采用MIDAS Gen軟件進行建模計算，筒身普通燒結磚彈性模量為2.4×109N/m2，線膨脹系數為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，線膨脹系數為1×10-5/℃，按煙囪實際尺寸進行建模。

4.2 邊界條件與驗算參數

可視地基為剛性地基，煙囪底部固定不動，上部為自由端，屬于一般支承結構。

依據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》有關規定，并結合現場實際情況，確定基本風壓為0.40kN/m2，地面粗糙程度為B類。依據GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震設計規范》有關規定，南京市江寧區抗震設防烈度為7度，地震分組為第1組，基本地震加速度為0.10g。煙囪上部結構構件所處環境為一般露天環境，依據GB 50144—2019《工業建筑可靠性鑒定標準》有關規定，可知煙囪所屬環境類別為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 計算結果分析

4.3.1結構自重作用分析

煙囪在自重作用下的位移、應力云圖如圖2所示。由圖2可知，煙囪最大位移、應力均出現在頂板中心處，最大位移為0.26mm，最大應力為0.33MPa。結構最大應力小于混凝土抗壓強度設計值，可知承載力滿足要求。

圖2 自重作用下煙囪位移、應力云圖

4.3.2風荷載作用分析

煙囪在x，y向風荷載作用下的位移、應力云圖如圖3所示。由圖3可知，由于煙囪高度較大，受風荷載影響較大，煙囪頂部出現最大位移，為8.61cm，滿足GB 50135—2006《高聳結構設計規范》有關要求；煙囪最大應力出現在底部，為0.68MPa，小于普通燒結磚抗壓強度設計值，可知承載力滿足要求。

圖3 風荷載作用下煙囪位移、應力云圖

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在筒身頂部，為9.77mm；煙囪由溫差引起的最大應力出現在頂板中心處，為18.34MPa，小于混凝土抗壓強度設計值，可知承載力滿足要求。

圖4 溫度荷載作用下煙囪位移、應力云圖

4.3.4地震作用分析

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

圖5 地震作用下煙囪位移、應力云圖

5 安全等級評定

結合現場檢測與有限元分析結果，依據《煙囪可靠性鑒定標準》有關規定，將煙囪筒壁安全等級評定為C級，將地基基礎安全等級評定為B級。

6 加固方案

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

6.1 煙囪頂部清理至結構層

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狀如圖6所示。清理至結構層后，復測筒體厚度、內外徑尺寸等。

圖6 煙囪頂部水泥殘渣現狀

6.2 頂部臨時平臺就位

為便于圈梁灌漿料澆筑，在筒體頂部搭設臨時平臺，以提供作業空間。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定性進行驗算。頂部臨時平臺位移、應力云圖如圖8所示，由圖8可知，頂部臨時平臺最大位移出現在鋼梁懸挑最外側，為0.41mm；頂部臨時平臺最大應力出現在鋼梁搭接處，為6.78MPa，小于鋼材抗拉強度設計值，可知承載力滿足要求。

圖8 頂部臨時平臺位移、應力云圖

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，澆筑完成后進行覆蓋、澆水養護。

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 連接節點示意

6.5 吊籃組裝與調試

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

圖11 吊籃懸掛三維模型

6.6 開裂與風化部位修補

筒體裂縫為貫穿縫，寬度較大，需進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標記 對每個工作段內煙囪筒壁裂縫進行標記、修正；③裂縫檢測 對每個工作段內裂縫表面進行探縫檢測，以確定裂縫寬度、深度、貫穿情況；④裂縫清理 采用吹風機對裂縫進行吹洗，清除表面浮塵，對松動砂漿、即將剝落的劣質磚砌體表面浮渣進行清除；⑤封縫材料拌制 將封縫材料按配合比加水攪拌均勻，然后運至裂縫部位；⑥嵌縫作業 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部，嵌入深度≥20mm，將裂縫口外溢封縫材料清理干凈；⑦預埋導管 在每條裂縫最大寬度部位按一定距離預埋透明塑料軟導管，埋設深度≥30mm，留設灌注口、排氣口(觀察口)；⑧灌注灌漿料 封縫材料固化后，進行灌漿作業，采用高強度無收縮水泥基灌漿料，在指定容器內充分攪拌均勻，小批量、多次進行灌漿作業；⑨養護 灌漿完成后進行養護，養護期間不得拔除導管；⑩拔除導管 灌漿料養護結束后拔除導管，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記。

2)臨時懸掛點設置

在煙囪頂部磚帽處，將環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化學錨栓固定在壓頂圈梁上口、側面，過磚帽處空隙使用聚合物砂漿、快干水泥嵌縫填實，確保空隙被填滿。將粘貼鋼箍帶的煙囪工作面清洗干凈，并進行找平、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)環向鋼箍帶安裝

每道環向鋼箍帶分為2個半圓環，兩端分別采用螺栓收緊器進行收緊，如圖13所示。對每道環向鋼箍帶進行精確定位，并做好標記，標記點不少于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+滑輪將具有標記的環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，先調整環向鋼箍帶位置，再同時收緊兩端螺栓，直至環向鋼箍帶完全收緊。按由上而下的順序逐個安裝做好標記的環向鋼箍帶，所有環向鋼箍帶安裝到位后進行嵌縫、灌漿。利用快干水泥或聚合物砂漿填充所有豎向、環向鋼箍帶空隙。

圖13 環向鋼箍帶節點連接

6.8 煙囪筒體內外側防腐施工

分2遍滾涂滲透增強型清水混凝土罩面保護劑，第1遍滾涂完成后30min內完成第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，施工完成后自然養護1h以上。

6.9 煙囪監測

為避免施工對煙囪產生影響，對煙囪內力、振動、裂縫和整體傾斜進行監測，以保證結構安全。主要監測內容包括：①使用表面式應變計對關鍵部位進行應力、應變監測；②使用測縫計對關鍵部位進行裂縫監測；③使用傾角儀對整體傾斜度進行監測；④使用加速度傳感器對振動速度進行監測。

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，需在待加固煙囪周邊半徑10m范圍內采用封閉式防護，施工作業期間禁止外人入內，防止高空墜物造成意外傷害。

2)煙囪周邊為施工危險區，應設明顯標識，并在通道上設置防護棚。

3)如遇6級及以上大風或雷雨天氣，不得進行高空作業。

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

5)垂直運輸系統上下滑輪應設置防止鋼絲繩脫槽的設備，并應由專人檢測與維護。

6)煙囪底部、工作面及地面管理人員應配備聲光信號及通信設備。

8 結語

依托磚煙囪安全等級評定與加固改造工程，對地基基礎及上部承重結構、結構構件缺陷與損傷、砌筑砂漿抗壓強度、磚抗壓強度進行現場檢測。考慮加固過程中可能出現的問題，采用有限元軟件分析煙囪位移、應力等，確保結構滿足安全要求。針對現場檢測與有限元分析結果，有針對性地提出經濟可行、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，表明加固技術效果較好，保證了煙囪后期安全使用，延長了煙囪使用壽命。