高海軍，盧淑雯，黃 翔

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

雙曲線型自然通風(fēng)冷卻塔是鋼鐵廠、發(fā)電廠用于工業(yè)循環(huán)水冷卻的重要構(gòu)筑物。雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔的塔身采用雙曲線薄壁空間結(jié)構(gòu)，冷卻塔結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)環(huán)梁、人字柱、筒身下部環(huán)梁、筒身、上部剛性環(huán)組成。筒身自重及所承受的其他荷載均通過下環(huán)梁傳遞至人字柱，然后傳到基礎(chǔ)。我國 20 世紀(jì) 40年代以來建造了許多冷卻塔，隨著時間的推移，由于使用環(huán)境、使用年限、設(shè)計與施工先天不足和管理不善等因素的影響，既有冷卻塔均存在不同程度的損傷。因此，有必要對既有冷卻塔進(jìn)行可靠性檢測鑒定。本文以某既有自然通風(fēng)雙曲線冷卻塔為例，詳細(xì)介紹了現(xiàn)場檢測、結(jié)構(gòu)鑒定及處理修復(fù)方案。

1 工程概況

某鋼鐵廠冷卻塔，建造具體年代約為 20 世紀(jì)80年代，淋水面積約為 2 000 m2，塔高約 70 m，基礎(chǔ)底面直徑為 57.05 m，基礎(chǔ)最外側(cè)直徑為 60.65 m。高度 55.0 m 處為喉部，對應(yīng)直徑為 15.0 m。壁厚標(biāo)高 5.6～35.0 m 處厚度為 400 mm 減小至 120 mm，標(biāo)高 35.0 m 至頂部的壁厚均為 120 mm，平面及立面圖如圖1～2 所示。

圖1 冷卻塔結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 冷卻塔立面圖

該冷卻塔距今約40年，停止使用后缺少維護(hù)已有十余年，人字柱、環(huán)梁存在多處鋼筋銹蝕、混凝土剝落，筒身外壁漏筋銹蝕。后續(xù)冷卻塔將進(jìn)行改造利用，既有建（構(gòu)）筑物進(jìn)行改造、改建前，應(yīng)進(jìn)行可靠性鑒定，主要目的是全面、準(zhǔn)確地掌握其性能、狀況和所承受的各種作用，準(zhǔn)確評價其可靠度水平，為后續(xù)的改造設(shè)計、施工、使用、管理提供依據(jù)。

2 現(xiàn)場檢測

根據(jù)冷卻塔的結(jié)構(gòu)特點，參考了 GB 50144-2008《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》［1］，分別對冷卻塔的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及尺寸、材料強(qiáng)度、鋼筋配置及碳化深度進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如下。

2.1 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查

該結(jié)構(gòu)為雙曲線型冷卻塔，現(xiàn)場調(diào)查該冷卻塔已廢棄使用多年，未見維護(hù)維修。

1）地基及基礎(chǔ)。該冷卻塔為環(huán)形基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場開挖，基礎(chǔ)下部為卵石層，底部標(biāo)高約為 -2.25 m，基礎(chǔ)底部寬 3.6 m。通過對基礎(chǔ)及上部構(gòu)件檢查，未發(fā)現(xiàn)有基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生的開裂及變形，基礎(chǔ)未發(fā)現(xiàn)裂縫及不適宜繼續(xù)承載的損傷（見圖3）。

2）環(huán)梁。重力荷載作用的壓應(yīng)力主要集中在環(huán)梁與柱的交接處。通過對該冷卻塔進(jìn)行檢查，由于使用環(huán)境的侵蝕，環(huán)梁附近的混凝土保護(hù)層嚴(yán)重脫落，鋼筋沿環(huán)梁一周已經(jīng)全部銹蝕（見圖4）。

圖3 環(huán)形基礎(chǔ)現(xiàn)狀

圖4 環(huán)梁漏筋銹蝕

3）人字柱。人字柱主要承受筒身自重、風(fēng)荷載及溫度應(yīng)力，冷卻塔由 40 組人字柱進(jìn)行支撐、人字柱截面尺寸為八邊形柱，單邊尺寸為 150 mm，人字柱下方承臺高為 550 mm，人字柱高 5 200 mm?，F(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)人字柱存在鋼筋嚴(yán)重露筋銹蝕，人字柱沿縱筋和箍筋方向順主筋出現(xiàn)較大裂縫，局部混凝土剝落（見圖5）。

4）筒身。筒身分布著經(jīng)向和緯向鋼筋，由于冷卻塔壁厚逐漸變薄的原因及特點，冷卻塔施工時，控制鋼筋保護(hù)層厚度是難點。該冷卻塔外觀損傷、漏筋、裂縫約占塔身面積的 30 %，大多分布在環(huán)梁及上部，喉部以下位置。主要缺陷為漏筋、鋼筋銹蝕及混凝土剝落（見圖6）。

圖5 人字柱現(xiàn)狀

圖6 筒身漏筋銹蝕

5）剛性環(huán)。冷卻塔的剛性環(huán)主要加強(qiáng)了筒體的穩(wěn)定性和剛度，其位于筒身頂部，厚度為 200 mm。通過對冷卻塔剛性環(huán)的檢查，剛性環(huán)局部混凝土剝落，露筋銹蝕。

2.2 構(gòu)件混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果

采用回彈法及芯樣驗證的方法對該冷卻塔混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行抽樣檢測。結(jié)果表明，其人字柱混凝土強(qiáng)度推定區(qū)間在 36.3～38.2 MPa 之間，筒身混凝土強(qiáng)度推定區(qū)間在 37.5～40.6 MPa 之間，滿足 GB 50102-2014《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范》［2］中混凝土最小強(qiáng)度等級的要求。

2.3 碳化深度檢測

根據(jù) GB/T 50344-2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［3］的相關(guān)要求，現(xiàn)場對相應(yīng)部位的混凝土碳化深度采用濃度為 1 %～2 % 的酚酞溶液檢測，基礎(chǔ)的碳化深度在 15～19 mm，人字柱的碳化深度在 14～18 mm，筒身的碳化深度在 17～22 mm。

2.4 鋼筋配置檢測

經(jīng)檢測，冷卻塔內(nèi)柱的箍筋間距在 189～206 mm，單邊主筋根數(shù)為 2 根；人字支撐的箍筋間距在178～206 mm，主筋根數(shù)為 8 根；塔身環(huán)向鋼筋間距在130～200 mm，縱向鋼筋間距在 115～192 mm。通過對基礎(chǔ)、人字柱、環(huán)梁及筒身的混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測，大部分的保護(hù)層厚度不滿足 GB/T 50102-2014《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范》的要求。

3 冷卻塔內(nèi)力計算

采用有限元分析軟件 Midas Gen 對雙曲線冷卻塔結(jié)構(gòu)不同荷載工況下的內(nèi)力和變形進(jìn)行模擬計算，其中相關(guān)計算參數(shù)按現(xiàn)場實測值并結(jié)合部分設(shè)計圖紙取值。荷載工況包括結(jié)構(gòu)自重工況、風(fēng)荷載工況、地震作用工況等。

通過內(nèi)力計算結(jié)果可以看出，冷卻塔在不同的荷載工況下，其應(yīng)力及位移最大值滿足要求，數(shù)值計算結(jié)果如下。

3.1 風(fēng)荷載作用工況分析

冷卻塔這種高聳薄壁空間結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是主要的控制荷載，在風(fēng)荷載作用下雙曲線冷卻塔的破壞是由于塔筒迎風(fēng)面承受的最大拉應(yīng)力的子午線鋼筋破壞或者是最大受壓區(qū)的局部屈曲破壞。風(fēng)載荷在筒壁風(fēng)壓值與塔的高度、塔群效應(yīng)有關(guān)系［4］。

通過對風(fēng)荷載作用工況下冷卻塔的數(shù)值分析結(jié)果可以看出（見圖7～8），在風(fēng)荷載作用下，冷卻塔應(yīng)力主要集中在喉部以下位置，冷卻塔的變形主要集中在剛性環(huán)附近。

圖7 冷卻塔在風(fēng)荷載作用下應(yīng)力云圖

圖8 冷卻塔在風(fēng)荷載作用下位移云圖

3.2 自重荷載作用工況分析

自重荷載是冷卻塔計算過程中最基本、最常見的荷載。冷卻塔的這種高聳薄壁空間結(jié)構(gòu)，上部筒壁的厚度逐漸變薄。從冷卻塔自重作用下的位移及應(yīng)力云圖來看（見圖9～10），冷卻塔在自重作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中部以下及環(huán)梁附近，最大位移位于冷卻塔的喉部上方。

3.3 地震荷載作用工況分析

圖9 冷卻塔在自重作用下應(yīng)力云圖

圖10 冷卻塔在自重作用下位移云圖

冷卻塔所在地區(qū)為抗震設(shè)防烈度為 8 度（0.2 g）第二組，按現(xiàn)行規(guī)范要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計算。從冷卻塔地震作用下的位移及應(yīng)力云圖（見圖11～12）來看，冷卻塔在地震作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在喉部區(qū)域，最大位移位于冷卻塔的剛性環(huán)下方。

4 結(jié)構(gòu)安全性鑒定

由于冷卻塔不屬于工業(yè)和民用建筑物，對于這種結(jié)構(gòu)，國家還沒制定專門的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。在鑒定過程中，參考了 GB 50144-2008《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》。將冷卻塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分為地基基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施三個部分。評級結(jié)果如表1 所示。

圖11 冷卻塔在地震作用下應(yīng)力云圖

圖12 冷卻塔在地震作用下位移云圖

表1 評級結(jié)果

該雙曲線型冷卻塔可靠性鑒定結(jié)果為四級的主要原因是上部承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在裂縫、露筋銹蝕，混凝土剝落等損傷，附屬避雷設(shè)施不完整，爬梯及平臺變形銹蝕，安全性及使用性不滿足要求。

5 加固處理建議

由上述現(xiàn)場檢測及內(nèi)力計算結(jié)果看，加固處理的基本思路是修復(fù)筒身損傷、提高人字柱及基礎(chǔ)承載能力；關(guān)鍵是保證新舊材料結(jié)合及提高加固后的耐久性。具體位置加固處理建議如下。

1）底部環(huán)梁基礎(chǔ)采用增加截面的方式加固，新增縱向鋼筋及拉結(jié)筋，新增 L 形和 U 形縱向鋼筋，下部植入到原基礎(chǔ)內(nèi)。施工前，應(yīng)將剔鑿的混凝土清理干凈并刷界面劑確保新舊混凝土共同工作。

2）破損較嚴(yán)重的人字柱應(yīng)預(yù)先進(jìn)行臨時的支頂，然后對所有存在缺陷的人字柱外面疏松的混凝土剔除，外露鋼筋徹底除銹，對少數(shù)縱向主筋銹蝕較嚴(yán)重的部分采取補(bǔ)充鋼筋增強(qiáng)方式處理，新增縱向及環(huán)向配筋沿人字柱進(jìn)行增大截面加固。

3）先對筒身的松動混凝土及雜物、沉灰剔鑿打磨清洗，鋼筋銹蝕處進(jìn)行除銹并涂刷防銹劑，銹蝕嚴(yán)重部位進(jìn)行局部加固鋼筋，對損傷部位采用高強(qiáng)砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。為提高耐久性，可在筒身混凝土表面增加耐久性防護(hù)涂層。

4）爬梯、平臺、進(jìn)人洞鋼門、淋水裝置護(hù)欄、避雷設(shè)施等外露金屬構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行更換。

6 結(jié) 語

通過對既有雙曲線型冷卻塔的檢測及鑒定，該冷卻塔多為露筋及鋼筋銹蝕引起的損傷。在施工過程中，應(yīng)采取措施控制好鋼筋保護(hù)層，涂刷防腐涂料來提高耐久性。在使用過程中，注意維護(hù)，避免構(gòu)件受到凍融。檢測鑒定應(yīng)重點關(guān)注主要受力構(gòu)件損傷情況。加固改造時，針對不同的損傷結(jié)合受力分析，提出針對性的加固修復(fù)方案。Q