高耸烟囱工程破坏案例综述∗

王磊 樊星妍 刘伟 梁枢果

(1.河南理工大学土木工程学院 焦作454000; 2.武汉大学土木建筑工程学院 430072)

引言

高耸烟囱结构的筒体中空壁薄、横截面小、高宽比大,是一种典型的高柔结构。从烟囱结构材料类型来看,有砖烟囱、混凝土烟囱、钢烟囱等。长期以来,高耸烟囱的破坏实例屡见不鲜。从烟囱破坏致因来说,有地震作用、横风向共振、顺风向风荷载、温度应力、外部冲击等。大量学者对一些烟囱的破坏实例进行了个案分析[1-4]和统计总结。Diaz[5]、Pallarés[6]等人对烟囱的常见破坏类型进行了分类,Minghini[2]分析了可能导致掉头、倒塌和筒体局部破坏的原因。López-Patiño[7]通过调查,分析了反复作用力、特殊灾害和生物入侵等破坏原因。在国内,李[8]按高度分段,调查了某炼钢车间两座砖烟囱,认为裂缝主要是由温度控制不当和施工留有缺陷引起的。吕[9]对62 座烟囱裂缝的形成和分布进行了分析。于[10,11]对53 座钢混烟囱调查后,探讨了烟囱产生过大裂缝的原因和改进方法,并提出裂缝等级的概念。苏[12]在唐山地震后搜集了多座烟囱的震害资料,依据这些资料分析了这些烟囱的震害规律和特征。

从既有研究结论来看,烟囱破坏特征和破坏原因是多方面的。既有文献多是针对某种破坏因素或某种材料类型的烟囱进行统计总结或个案分析。但是,同时涉及多种破坏因素和材料类型的更为全面的统计总结却鲜有报道。鉴于此,本文尽可能地查阅了目前所有见诸报道的相关文献,对739 座烟囱破坏实例进行了统计分析,集中介绍砖烟囱、钢混烟囱和钢烟囱在横风向共振、顺风向风荷载、温度应力、地震、施工等因素造成的一些破坏案例。并通过大量的统计总结,得到了一些规律性的结论,旨在提高人们对烟囱破坏的宏观认识,为相关设计、施工和研究人员提供参考。

1 烟囱破坏原因简介

本节分类简要介绍导致高耸烟囱破坏的原因,并列举一些相应的实际案例。

1.1 横风向涡激共振

1.破坏机理[13-19]

来流吹向圆柱体,在柱体两侧的交替旋涡会形成横向力,迫使结构垂直于风向振动,见图1。当涡脱频率接近柱体自振频率时可能发生涡激共振。涡激共振会造成结构横向位移显著增大,具有较强破坏力。以混凝土结构来说,涡激共振可能导致结构纵向钢筋屈服,最终产生横向裂纹甚至破坏,见图2a。

图1 漩涡脱落示意Fig.1 Vortex shedding

2.破坏案例

1976 年,国外某140m 高钢质烟囱,因涡致共振而倒塌[20]。1983 年,白云石窑烟囱的垂直铆接搭接接头失效,评估后认为这是涡激振动的结果[21]。1991 年,两座120m 的相同钢制烟囱,在试用期间整个支撑结构发生交叉振动并最终导致钢焊缝开裂[22]。1997 年,费耶特电力公司3号烟囱发生严重风致振动,最终造成裂缝出现[23]。2007 年,Kawecki 分析了一座100m 高的新建钢烟囱因涡激振动而发生部分螺栓两次破坏的事故[24]。在国内,天津某厂90m 高钢烟囱,在4、5 级风情况下发生共振,最大振幅达1.76m,最终导致螺栓断裂破坏[25]。某炼油厂一80m 高钢烟囱,在6 级风速下发生剧烈涡振,振动幅值达0.45m,最终考虑采用专门的加固和减振措施[26]。1994、1996 年,天津和广东有两座烟囱由于横风向涡激共振在大风时坍塌[27]。牡丹江某60m 钢烟囱考虑横风向共振,在60m 改造至100m的过程中,由自立式改为了塔架式(图2b)[28]。

图2 涡激共振造成的烟囱破坏Fig.2 Chimney damage caused by vortex-induced resonance

长期以来,涡激共振造成的烟囱破坏一直备受研究人员的重视。诸多学者针对工程算例、规范条文、计算理论等方面进行了有益的研究[29-35]。总结而言,既有不同计算理论和规范方法得到的烟囱响应不尽相同,这是值得思考研究的一个方面。

1.2 顺风向风荷载

1.破坏机理

风吹向圆截面柱体表面,在柱体迎风面产生正压,在侧面和背风面产生负压,两种压力之和为顺风向风致静力,该静力乘上风振系数即为顺风向等效风荷载。当顺风向等效风荷载过大,可能造成烟囱承载能力不足而发生破坏。

2.破坏案例

通常认为,顺风向振动是一种窄带随机振动,不具发散性,破坏力并不显著。但是,也有一些调查发现[7,36],部分烟囱长期在盛行风作用下烟囱顶部有一定顺风向位移,使烟囱产生永久弯曲变形,并造成烟囱出现纵向裂缝,见图3。这种破坏与人们的常规认知有所不同,需要给予注意。

图3 顺风向风荷载造成的烟囱破坏[3,36]Fig.3 Chimney damage caused by downwind wind load[3,36]

关于风荷载造成的烟囱破坏,还有环向风压不均匀性、干扰效应等,鉴于此类破坏案例不多,且还有待考证[37],本文不再讨论。

1.3 温度应力

1.破坏机理

众多学者研究总结了温度应力导致烟囱破坏的原理[46-52]。简单来说,以单筒烟囱为例(图4),温度应力造成的破坏通常是由于隔热和内衬设计不合理造成的。当筒内烟温较低时,内衬会因温度过低而结露导致低温腐蚀的发生,因而温度的作用常常伴随着腐蚀的出现。烟囱排气时筒内较高,由于热胀冷缩,筒壁外表面可能因拉应力作用而开裂。在施工和停炉检修期间,在日光照射下,筒内温度相对低,筒壁内表面则会因拉应力而产生竖向裂缝。

图4 筒身传热形成温度应力原理Fig.4 Principle of temperature stress formation

2.破坏案例

某45m 砖烟囱外筒壁存在长约25m 的竖向裂缝,缝宽达到20mm,经调查该烟囱顶部无内衬和空气隔热层[38],见图5。某烟囱在隔热层和内衬层未全部砌筑完成时就点炉生产,造成多条宽度达30mm、40mm 竖直裂缝。某厂烟囱在施工过程中在7.5m 处增加一整圈混凝土耐酸圈梁,由于圈梁的线膨胀系数是内衬砖的两倍,受到高温烟气后烟囱出现大量竖向裂缝、圈梁横向裂成多块[39]。印度内韦利热电站60m 钢混烟囱,由于耐火砖内衬与筒壁之间的空气层填满了粉煤灰,隔热效果降低,运行10 年后外壁产生宽度3mm 的竖直裂缝。沈阳冶炼厂120m 烟囱,由于内衬设计不合理,内外的温差梯度致使筒壁出现贯穿裂缝,爬梯、信号台等被烟气腐蚀[40]。铜陵110m 钢混烟囱在建成两年后才进行内衬施工,施工时发现混凝土内壁出现收缩开裂[40,41]。秦岭212m、十里泉180m、宝鸡80m、玉门80m 四座烟囱,中上部出现多处深度为2mm ～8mm 的裂缝[42]。重庆某公司60m 烟囱[43]、湘钢烧结厂45m 砖烟囱[44]等多个排气烟囱都存在由于温度应力而导致的筒体开裂甚至倒塌现象。烟囱在考虑温度作用后,烟囱顶点水平位移、顶点水平速度发生显著的变化,而且温度越高影响越显著,会加剧破坏情况[45]。

图5 温度应力导致的烟囱破坏[38]Fig.5 Chimney damage caused by temperature stress[38]

1.4 地震作用

1.破坏机理

地震分为水平地震和竖向地震,诸多学者对地震作用的破坏机理进行了有益的研究[63-68]。竖向地震下结构各部位仅做上下振动,振动模型中每一个质点仅有一个自由度。水平地震下结构以剪力为主,水平振动时结构各部位发生左右(前后)位移。一般认为,水平和竖向地震均有可能造成烟囱的破坏,当结构无法承受地震造成的惯性力时则会发生结构或构件破坏。唐山地震后,研究人员先后在唐山、天津和北京等地调查了包括砖烟囱、钢混烟囱和带水箱烟囱等的破坏情况,发现烟囱的震害形式是较为复杂的[12],有水平裂缝、斜裂缝、竖直裂缝、螺旋裂缝、环缝、酥裂崩落、扭转、掉头等。

2.破坏案例

1976 年,唐山陡河电厂180m 钢混烟囱在7.8 级地震作用下在130.5m 处出现裂缝,裂缝宽度达到20mm ～30mm,当天下午发生7.1 级余震,顶部50m 范围内开始摇晃,最终在标高为130.5 m 处发生倒塌[53]。1996 年,包头6.4 级地震中,进行加固处理的烟囱以及筒壁内配了竖向钢筋的砖烟囱未发生破坏,而未经加固的老式砖烟囱均在不同程度上发生了破坏。八一公园内一座30m 高的砖烟囱顶部发生断裂; 包钢厂一座砖水塔在筒身中下部发现水平错动[54]。汶川地震后,研究人员对德阳、成都地区砖烟囱进行现场调查,德阳某水泥厂烟囱水平错动; 德阳钢铁实业公司45m 高烟囱在距顶端15m 处水平断裂;某厂房两个烟囱出现斜向掉头和水平掉头现象[55],见图6。国外亦存在众多因地震导致的烟囱破坏事故[3,56-60],见图7。

图6 地震作用下破坏的烟囱(国内)[55]Fig.6 Chimney destroyed by earthquake (domestic)[55]

图7 西班牙卡罗尔地震作用下损坏的某烟囱(国外)[3]Fig.7 A chimney damaged by the earthquake in Carroll,Spain (foreign)[3]

1.5 施工原因

印度某电厂烟囱事故调查发现,顶部混凝土养护龄期不足,在强风的反复作用下混凝土开裂破坏[9]。我国某厂烟囱,在隔热层和内衬层未砌到顶部就开工生产,造成烟囱顶部多道竖直裂缝[39]。某电厂260m 烟囱在烟道口上方形成八字形裂缝,是由于孔洞附近产生应力集中现象,在荷载作用下孔洞局部范围内应力显著增大,引起筒体产生疲劳裂纹[69]。在汶川县8.0 级地震后,对西安某150m 锅炉房钢混烟囱倒塌原因进行分析,发现强震是诱导因素,但施工过程中留下非正常施工缝也是造成倒塌的主要原因[70],见图8a。西北电力设计院对多座烟囱的实地考察表明,烟囱裂缝的大小和各种施工方法有很大关系[71]。某电厂150m 烟囱采用滑模工艺施工,因施工技术水平没达到要求,造成100m 处出现鼓肚及多道水平裂缝[72]。某80m 单筒式烟囱由于施工采用了早强水泥且养护条件较差,导致外筒壁出现多条纵向和环向裂缝[73],见图8b。华北地区某高205m 钢混烟囱,现场浇筑振捣后,浇筑层出现离析,刚浇完的混凝土出现水平通缝,调查发现原因是施工方用于拌制混凝土的细骨料不满足要求,混凝土入模前也未进行二次搅拌等施工质量问题[74]。

图8 施工原因造成的烟囱破坏Fig.8 Chimney damage caused by construction reasons

1.6 其他原因

除了上述原因外,还有一些其他原因可能导致高耸烟囱破坏,如爆炸、雷击、外部冲击、使用不当和生物入侵等等。动物、植被、真菌等生物入侵会对烟囱造成破坏。例如,植物生长造成某烟囱筒身出现裂缝和破碎[3],见图9a。某炼钢车间两座砖烟囱,烟尘量增大而产生二次燃烧,导致混凝土筒壁开裂[8]。邯钢某烟囱内部产生爆炸,造成顶部出现多道不规则裂缝,随时有倒塌的危险[75]。印度某烟囱,在施工高度为240m 时瞬间倒塌,有分析认为该钢筋混凝土烟囱突然倒塌是雷击造成的[76]。2012 年位于葡萄牙吉马良斯的某烟囱被闪电击中,造成筒壁出现两个明显的开口[77],见图9b、9c。

图9 其他原因造成的烟囱破坏Fig.9 Chimney damage caused by other causes

2 结构破坏统计分析

本研究共收集了739 座烟囱结构的破坏情况,其中砖烟囱531 座、钢烟囱24 座、钢混烟囱184 座。所采用的文献资料均描述了事故的发生过程和原因,具有较高可信度。

2.1 烟囱破坏等级统计

参考既有的分类标准,对739 座烟囱按破坏等级分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和掉头或倒塌五个等级,见表1。图10 为不同破坏等级烟囱占比情况,其中中等破坏以上的烟囱共355 座,即约一半烟囱破坏程度比较严重,需要加强、特殊处理或拆除重建。

表1 烟囱破坏基本情况调查Tab.1 Chimney damage basic situation questionnaire

图10 烟囱破坏等级占比Fig.10 Chimney damage level distribution

2.2 破坏致因统计

表2 给出了部分烟囱的破坏原因统计情况。通过表2 可以看出,烟囱破坏是由多种破坏因素造成的。如果仅从各个烟囱破坏的第一主因来说,以地震破坏的数目最多,达到了67%; 其次是温度应力,破坏占比21%。

表2 结构破坏原因分析Tab.2 Analysis of the causes of structural damage

2.3 破坏致因与材料类型的关系

图11 为同一致因下,砖烟囱、钢烟囱和钢混烟囱破坏的占比情况。从表中分析可得,钢烟囱的破坏均是由风荷载造成,占风致破坏总数的75%。这是因为钢烟囱的高度大、质量轻、阻尼小等特点,更易发生涡激共振。地震因素中砖烟囱破坏达到了90%以上,相对而言,钢混烟囱抗震性能较好,钢烟囱无破坏案例。显然,这是因为砖烟囱抗弯抗剪能力较差,砖砌体脆性大、延性低。温度原因中钢混烟囱破坏达到了69.8%,砖烟囱破坏达到30.2%; 施工因素造成的破坏案例中钢混烟囱占60%。其他破坏因素造成的砖烟囱和钢混烟囱破坏各占50%。

图11 同一致因各类型烟囱破坏占比直方图Fig.11 Same cause of various types of chimneys

由于砖烟囱往往存在年久失修等问题,砖烟囱在地震中破坏数目巨大。考虑这一因素,图12给出了除砖烟囱外,各致因造成的破坏数目占比情况。考虑其他原因造成的烟囱破坏仅占1%,图12 中并未给出,下文也不再论述。从图12 可以看出,温度应力造成的钢混烟囱的破坏约为50%,地震、施工和风荷载占比相当。

2.4 破坏致因与破坏等级的关系

图13 为各因素产生烟囱破坏的平均等级。从图中可以看出,各因素造成破坏的严重程度由重到轻依次为风、地震、温度、施工。其中,风致破坏平均等级在4 级以上,说明风致破坏一旦发生,造成的破坏往往比较严重,这是值得注意的一个问题。

2.5 破坏致因与烟囱高度的关系

图14 为不同原因造成破坏的烟囱高度平均值。通过图14 可以看出,由于地震原因造成破坏的烟囱平均高度相对较低,约为75m,这是因为年久失修而高度相对较低的砖烟囱在地震作用下破坏实例较多。温度原因造成破坏的烟囱平均高度约为85m,这是因为由于温度原因造成破坏的烟囱多数为火电厂或冶金厂拔气烟囱,其中不乏一些高度较低的砖烟囱。施工原因造成破坏的烟囱平均高度约为100m。风致破坏的烟囱平均高度约为130m,这印证了相对较高的烟囱更易在风的作用下破坏。

图12 不同致因造成的烟囱破坏占比Fig.12 Destruction pie chart caused by different causes

图13 各因素造成破坏的严重程度Fig.13 Severity of the damage caused by various factors

图14 不同致因下破坏烟囱的平均高度Fig.14 Average height of the chimney under different causes

2.6 烟囱高度与破坏等级的关系

图15 为不同破坏等级烟囱的平均高度。通过图15 可以看出,随着破坏高度的增大,烟囱破坏等级也大致在逐步提高。低等级破坏的烟囱高度大都在130m 以下,烟囱高度超过130m 后,破坏等级往往大于3 级。造成这一结果的原因之一是,高烟囱一般为钢烟囱或混凝土烟囱,其自身强度高,不易出现筒体开裂的情况; 另一方面是烟囱高度较高,观测难度较大,一些裂缝在初期可能会被忽视。

图15 不同破坏等级下烟囱的平均高度Fig.15 Average height of the chimney at different levels of damage

3 结论

烟囱作为典型的高耸结构之一,发生破坏的工程事故众多,且破坏程度比较严重,这是需要重视的一个问题。本文集中介绍了众多破坏案例,并得到了一些规律性的结论,旨在提高人们对烟囱破坏的宏观认识。主要结论如下:

1.烟囱的破坏原因有风荷载、温度应力、地震作用、施工问题和其他因素等。从破坏第一致因来说,地震破坏的数目最多,占比达到67%;其次是温度应力,占21%。不考虑砖烟囱时,温度应力造成破坏约占50%,地震、施工和风荷载占比相当。

2.从烟囱材料来看,钢烟囱的破坏均是由风荷载造成,占风致破坏烟囱总数的75%。地震造成破坏的烟囱中,90%为砖烟囱。温度原因和施工原因造成的破坏以钢混烟囱为主,占比超过60%。

3.各因素造成破坏的严重程度由重到轻依次为风、地震、温度、施工。其中,风致破坏平均等级在4 级以上,说明风致破坏一旦发生,造成的破坏往往比较严重。

4.顺风向风荷载通常不会造成烟囱破坏,但长期在盛行风作用下烟囱顶部存在顺风向位移,可能使烟囱产生永久弯曲变形,并造成烟囱出现纵向裂缝,这是一个与常规认知不尽相同的、需要注意的方面。

5.各因素造成破坏烟囱的平均高度从高到低依次为风、施工、温度、地震。这一现象的原因主要与不同高度烟囱的材质有关。

6.随着破坏高度的增大,烟囱破坏等级呈增大趋势。低等级破坏的烟囱高度大都在130m 以下,烟囱高度超过130m 后,破坏等级往往大于3 级。这一结果的原因之一是,高烟囱一般为钢烟囱或混凝土烟囱,其自身强度高,不易出现筒体开裂的情况; 且烟囱高度较大时观测难度较大,一些裂缝在初期易被忽视。