周廣強(qiáng), 宋 超, 許家榮, 侯宏濤

(1 山東建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101；2 山東建筑大學(xué)工程鑒定加固研究院有限公司，濟(jì)南 250013)

0 引言

目前我國許多熱電、煉鋼、石油或化工等企業(yè)還存在著建設(shè)年代較久遠(yuǎn)的冷卻塔,這些冷卻塔因長期的環(huán)境侵蝕、維護(hù)不及時(shí)等原因,性能劣化、可靠度明顯降低。為確定此類老舊冷卻塔的安全狀況,給出解決方案,本文結(jié)合現(xiàn)行《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50144—2019)[1]、《構(gòu)筑物抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50117—2014)[2],對某北方地區(qū)熱電廠雙曲線冷卻塔進(jìn)行了檢測鑒定,介紹了該冷卻塔存在的主要問題,分析了損傷原因,并提出了加固處理方案。

1 工程概況

某北方地區(qū)煉鋼廠冷卻塔建于1986年,結(jié)構(gòu)高度65.0m,通風(fēng)筒底部直徑50.286m,喉部標(biāo)高52.650m,直徑26.24m,頂部直徑27.44m,冷卻塔外立面見圖1。該冷卻塔為鋼筋混凝土雙曲線自然通風(fēng)式冷卻塔,基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土環(huán)形基礎(chǔ),底部為36對人字支柱,截面尺寸為400×400,筒壁厚度沿塔體從低到高為500～200mm。該冷卻塔所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,建筑場地類別為Ⅱ類。

圖1 冷卻塔外立面

該冷卻塔自建成已運(yùn)行三十余年,人字柱、通風(fēng)筒外壁及淋水構(gòu)件等混凝土構(gòu)件出現(xiàn)混凝土脫落、鋼筋外露銹蝕等問題。

2 現(xiàn)場檢測結(jié)果及鑒定結(jié)論

2.1 檢測結(jié)果

2.1.1 地基基礎(chǔ)

采用FARO大空間三維激光掃描儀對冷卻塔整體傾斜情況進(jìn)行檢測。掃描設(shè)站時(shí)充分考慮測站間必要的重疊度,且各測站具有較大視角范圍,測站間設(shè)置不少于三個(gè)標(biāo)靶球,掃描分辨率設(shè)置為1/2,掃描質(zhì)量參數(shù)設(shè)置為3X,現(xiàn)場共布設(shè)6個(gè)掃描測站,其平面分布示意圖見圖2。

圖2 掃描測站分布平面示意圖

對掃描采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪與冗余刪除、平滑優(yōu)化等處理,得到高質(zhì)量的輕量化點(diǎn)云模型。在三維點(diǎn)云處理軟件中,設(shè)定冷卻塔地面處標(biāo)高為±0.0m,在5.5、34.0、63.0m高度處創(chuàng)建水平切片,獲得冷卻塔的圓形橫截面切片點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采用最小二乘法對切片點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行圓形輪廓擬合,通過圓形擬合分別計(jì)算出5.5、34.0、63.0m高度處橫截面圓心坐標(biāo),通過比較頂部輪廓圓心相對底部圓心的坐標(biāo)偏移,得出冷卻塔的整體傾斜結(jié)果,檢測結(jié)果見表1。該冷卻塔頂部整體向東傾斜0.23‰,整體向北傾斜0.27‰,整體傾斜矢量和為0.35‰,傾斜方向?yàn)楸逼珫|40.43°,傾斜值遠(yuǎn)小于現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[3]限值要求。

表1 冷卻塔整體傾斜檢測結(jié)果

現(xiàn)場檢測也未發(fā)現(xiàn)由地基基礎(chǔ)不均勻沉降造成的上部結(jié)構(gòu)裂縫或其他損傷,說明經(jīng)過30多年的使用,該冷卻塔地基基礎(chǔ)的變形已穩(wěn)定,冷卻塔地基基礎(chǔ)是安全的。

2.1.2 人字支柱

人字支柱鋼筋保護(hù)層厚度偏小,大部分柱表層混凝土脫落,箍筋外露、銹蝕較嚴(yán)重,部分箍筋已銹斷,見圖3。部分柱縱筋外側(cè)混凝土脹裂,存在順筋裂縫;部分柱混凝土脫落嚴(yán)重,截面尺寸已嚴(yán)重削弱,嚴(yán)重處截面損失率約32%,見圖4。

圖3 柱表層混凝土破壞

圖4 柱混凝土脫落嚴(yán)重

對柱碳化深度進(jìn)行了檢測,碳化深度較大,為15～35mm,大部分已超過混凝土保護(hù)層厚度。

2.1.3 通風(fēng)筒筒壁

通風(fēng)筒筒壁外側(cè)鋼筋保護(hù)層厚度普遍偏小,最小值僅為3mm,遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)值25mm;大部分筒壁外側(cè)混凝土存在脫落現(xiàn)象,環(huán)向鋼筋外露、銹蝕較嚴(yán)重,嚴(yán)重處鋼筋面積銹蝕損失率已達(dá)20%,見圖5、6;筒壁外側(cè)部分位置混凝土澆筑質(zhì)量較差,振搗不密實(shí),存在孔洞、蜂窩,見圖7。筒壁內(nèi)側(cè)未見混凝土脫落、鋼筋銹蝕狀況,主要存在防腐層脫落問題。

圖5 筒壁外側(cè)混凝土破壞

圖6 筒壁外側(cè)鋼筋銹蝕嚴(yán)重

圖7 筒壁外側(cè)混凝土蜂窩麻面

2.1.4 淋水構(gòu)架

淋水構(gòu)架為由預(yù)制混凝土構(gòu)件裝配而成的結(jié)構(gòu)體系,預(yù)制混凝土梁、柱主要存在表層混凝土脫落、局部露筋銹蝕問題,部分較嚴(yán)重,預(yù)制構(gòu)件鋼連接件普遍銹蝕,見圖8。部分預(yù)制混凝土水槽損壞,部分主水槽接頭部位銹蝕嚴(yán)重,個(gè)別已銹斷,見圖9。

圖8 淋水構(gòu)架混凝土破壞

圖9 預(yù)制混凝土水槽損壞

2.1.5 混凝土強(qiáng)度檢測

采用鉆芯法對冷卻塔通風(fēng)筒混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了檢測[4]。沿筒壁不同高度位置鉆取芯樣,芯樣直徑均為100mm,加工成高徑比為1.0的標(biāo)準(zhǔn)芯樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn),鉆芯位置及混凝土抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果見表2。

表2 通風(fēng)筒壁混凝土抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果

考慮到人字柱、淋水構(gòu)架混凝土構(gòu)件截面尺寸較小,鉆芯后對構(gòu)件損傷相對較大,為保證結(jié)構(gòu)安全,對人字柱、淋水構(gòu)架混凝土強(qiáng)度采用回彈法進(jìn)行了檢測[5],混凝土強(qiáng)度推定值見表3。

表3 人字柱、淋水構(gòu)架混凝土抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果

2.1.6 循環(huán)水有害離子含量檢測

采用硝酸銀容量法對循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行了檢測,檢測結(jié)果見表4。循環(huán)水中氯離子含量較高,其中高爐循環(huán)水中氯離子含量平均值為492mg/L,汽機(jī)循環(huán)水中氯離子含量平均值為529 mg/L。

表4 循環(huán)水中氯離子含量檢測結(jié)果

2.2 損傷原因分析

從檢測情況來看,冷卻塔主要存在混凝土脫落、鋼筋銹蝕等問題。該冷卻塔位于我國北方地區(qū),冬季氣溫很低,夏季氣溫高,且長期處于潮濕環(huán)境,凍融破壞是造成混凝土損傷、脫落的主要原因。混凝土是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的材料,混凝土孔隙中自由水飽和后,在冰點(diǎn)溫度下水分會逐步凍結(jié),產(chǎn)生結(jié)冰水膨脹壓力和過冷水滲透壓力[6-7],孔隙內(nèi)壁會出現(xiàn)拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就會導(dǎo)致混凝土開裂,多次凍融循環(huán)后,混凝土內(nèi)部的裂縫會不斷擴(kuò)展、連通,導(dǎo)致混凝土裂縫加劇、脫落。

氯離子的侵入是造成混凝土損傷脫落、鋼筋銹蝕的一個(gè)原因。冷卻塔周圍環(huán)境中的氯離子侵入混凝土中,會降低鋼筋表面的PH值,破壞鋼筋表面的鈍化膜,導(dǎo)致鋼筋銹蝕,銹蝕后的鋼筋體積將膨脹約2～3倍,膨脹應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度后,將導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂剝落。另外,冷卻塔混凝土保護(hù)層厚度偏小、碳化深度大、混凝土振搗不密實(shí)、抗凍抗?jié)B性能差等原因,都將加劇通風(fēng)筒筒壁、人字支柱等混凝土構(gòu)件出現(xiàn)混凝土脫落、鋼筋銹蝕等問題。

2.3 鑒定計(jì)算結(jié)果

采用有限元軟件ABAQUS建立模型,對冷卻塔進(jìn)行了承載力計(jì)算分析,冷卻塔模型見圖10。主要考慮自重、風(fēng)荷載、溫度作用和水平地震作用,依據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50102—2014)[8]計(jì)算各單項(xiàng)荷載,非地震工況考慮自重、風(fēng)荷載、溫度作用的基本組合,地震工況考慮水平地震作用、重力荷載代表值、風(fēng)荷載、溫度作用的組合。

圖10 冷卻塔模型

依據(jù)計(jì)算分析結(jié)果,考慮鋼筋截面損失后(按最不利20%考慮),通風(fēng)筒筒壁在標(biāo)高15.244～53.669m外側(cè)環(huán)向鋼筋不足,計(jì)算配筋面積與實(shí)配鋼筋面積相差7%～18%;筒壁環(huán)向內(nèi)側(cè)鋼筋及子午向鋼筋滿足要求。人字柱主要承受軸向力,彎矩和剪力很小,考慮截面損失后(按最不利32%考慮),受壓承載力不足。

3 加固處理方案

冷卻塔主要存在混凝土脫落、鋼筋銹蝕等問題,已嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性能,加固時(shí)主要解決兩個(gè)問題,一是提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力,二是要考慮周邊環(huán)境條件,解決耐久性問題。對于不同的構(gòu)件還要根據(jù)其類型特點(diǎn)、施工可行性等分別采取相應(yīng)的措施。

3.1 人字柱

混凝土柱常用的加固方法有粘貼碳纖維布、外包鋼法及增大截面等多種加固方法[9-10]。粘貼碳纖維布加固主要是通過約束混凝土來提高柱的抗壓承載力,但承載力提高有限;外包鋼加固法對柱承載力的提高幅度明顯增大;增大截面法通過增大混凝土截面面積并增配鋼筋來實(shí)現(xiàn)柱的加固,柱承載力和剛度均有大幅提升。

人字支柱是冷卻塔受力最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,一旦破壞會導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌。人字支柱箍筋大部分外露、銹蝕較嚴(yán)重,而且部分柱因混凝土脫落截面尺寸嚴(yán)重削弱,致使承載力大幅降低、部分柱承載力不足。采用粘貼碳纖維布、外包鋼法加固顯然不妥,一方面不能大幅提高承載力,另一方面,人字柱處于暴露環(huán)境,且循環(huán)水中氯離子含量較高,暴曬下容易導(dǎo)致粘接膠失效,潮濕環(huán)境和氯離子侵蝕容易導(dǎo)致鋼板銹蝕,存在耐久性問題。因此對人字支柱加固選擇了增大截面法,原截面每側(cè)增大75mm,采用C35細(xì)石混凝土澆筑,加固示意圖見圖11,圖中d為鋼筋直徑。加固前應(yīng)剔除表面疏松混凝土,銹蝕鋼筋除銹并涂刷阻銹劑;用壓力水沖洗干凈并充分濕潤混凝土后,在新舊混凝土之間涂刷界面劑,并采用植U形筋的方式增強(qiáng)結(jié)合;柱縱向鋼筋通過植筋的方式錨入下部基礎(chǔ)及上部環(huán)梁內(nèi)。加固完畢后在柱表面涂刷專用防水、防腐涂料。

圖11 人字支柱增大截面法加固

3.2 通風(fēng)筒壁

常用的混凝土筒體加固方法有粘貼碳纖維法、增設(shè)鋼筋網(wǎng)混凝土面層加固法、增設(shè)鋼絲繩-聚合物砂漿面層加固法等。通風(fēng)筒筒壁長期暴露在外界環(huán)境中,無可靠防護(hù)的情況下粘貼碳纖維的有機(jī)膠很容易失效;若采用增設(shè)鋼筋網(wǎng)混凝土面層加固法,混凝土需采用噴射法施工,施工難度大且噴射質(zhì)量難以保證。

考慮到通風(fēng)筒筒壁外側(cè)環(huán)向鋼筋銹蝕嚴(yán)重,混凝土有脫落現(xiàn)象但截面并未大面積削弱,采用鋼絲繩-聚合物砂漿面層的方法顯然更為適宜,一方面可以顯著提高承載力,而且也便于施工。具體加固方法為:聚合物砂漿面層厚度35mm;鋼絲繩網(wǎng)由環(huán)向高強(qiáng)鍍鋅鋼絲繩和豎向螺旋肋消除應(yīng)力鋼絲組成,環(huán)向鋼絲繩規(guī)格為1×19,直徑6 mm或8mm,豎向間距150 mm或200mm,螺旋肋消除應(yīng)力鋼絲直徑7mm,水平間距330～370mm,均勻布置,加固示意圖見圖12。環(huán)向鋼絲繩每段長12m,各段間通過閉體花籃螺栓進(jìn)行連接,使環(huán)向鋼絲繩繃緊。加固前應(yīng)剔除表面疏松混凝土,銹蝕鋼筋除銹并涂刷阻銹劑,采用高強(qiáng)修復(fù)砂漿進(jìn)行修復(fù);對混凝土脫落嚴(yán)重、存在較大孔洞的部位,應(yīng)采用C35細(xì)石混凝土修復(fù)。對筒壁內(nèi)側(cè)主要進(jìn)行涂刷專用防水、防腐涂料處理。

圖12 筒壁鋼絲繩-聚合物砂漿面層加固

3.3 淋水構(gòu)架

淋水構(gòu)架的構(gòu)件為預(yù)制構(gòu)件,而且荷載較小,主要采用修復(fù)和更換的方法進(jìn)行處理。對預(yù)制構(gòu)件,剔除表面疏松混凝土,銹蝕鋼筋除銹,并采用聚合物砂漿進(jìn)行修復(fù)[11]。對預(yù)制構(gòu)件鋼連接件進(jìn)行除銹,并涂刷阻銹劑,銹蝕嚴(yán)重的進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。對損壞的預(yù)制混凝土水槽進(jìn)行更換,主水槽接頭部位銹蝕嚴(yán)重的附焊鋼連接件補(bǔ)強(qiáng)。

4 結(jié)語

該冷卻塔加固施工已完成并已投入使用,加固效果良好。通過對該類冷卻塔的檢測鑒定及加固,有以下幾點(diǎn)體會:

(1)北方地區(qū)的老舊冷卻塔因混凝土凍融破壞、有害離子的侵入等原因,容易出現(xiàn)混凝土脫落、鋼筋銹蝕等問題,影響結(jié)構(gòu)的耐久性,損傷嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力不足,影響結(jié)構(gòu)的安全性。

(2)作為冷卻塔受力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件,人支柱損傷嚴(yán)重時(shí),考慮承載力需大幅提升、耐久性等因素,采用增大截面法加固較為適宜。

(3)通風(fēng)筒壁采用增設(shè)鋼絲繩-聚合物砂漿面層加固法,可顯著提高承載力,并且具有施工簡便、質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)。