某炼钢厂老旧冷却塔结构检测鉴定及加固处理*

2023-10-25周广强许家荣侯宏涛

建筑结构 2023年19期

周广强, 宋超, 许家荣, 侯宏涛

(1 山东建筑大学建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，济南 250101；2 山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司，济南 250013)

0 引言

目前我国许多热电、炼钢、石油或化工等企业还存在着建设年代较久远的冷却塔,这些冷却塔因长期的环境侵蚀、维护不及时等原因,性能劣化、可靠度明显降低。为确定此类老旧冷却塔的安全状况,给出解决方案,本文结合现行《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB 50144—2019)[1]、《构筑物抗震鉴定标准》(GB 50117—2014)[2],对某北方地区热电厂双曲线冷却塔进行了检测鉴定,介绍了该冷却塔存在的主要问题,分析了损伤原因,并提出了加固处理方案。

1 工程概况

某北方地区炼钢厂冷却塔建于1986年,结构高度65.0m,通风筒底部直径50.286m,喉部标高52.650m,直径26.24m,顶部直径27.44m,冷却塔外立面见图1。该冷却塔为钢筋混凝土双曲线自然通风式冷却塔,基础形式为钢筋混凝土环形基础,底部为36对人字支柱,截面尺寸为400×400,筒壁厚度沿塔体从低到高为500～200mm。该冷却塔所在地区抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,建筑场地类别为Ⅱ类。

图1 冷却塔外立面

该冷却塔自建成已运行三十余年,人字柱、通风筒外壁及淋水构件等混凝土构件出现混凝土脱落、钢筋外露锈蚀等问题。

2 现场检测结果及鉴定结论

2.1 检测结果

2.1.1 地基基础

采用FARO大空间三维激光扫描仪对冷却塔整体倾斜情况进行检测。扫描设站时充分考虑测站间必要的重叠度,且各测站具有较大视角范围,测站间设置不少于三个标靶球,扫描分辨率设置为1/2,扫描质量参数设置为3X,现场共布设6个扫描测站,其平面分布示意图见图2。

图2 扫描测站分布平面示意图

对扫描采集到的三维点云数据进行点云配准、点云去噪与冗余删除、平滑优化等处理,得到高质量的轻量化点云模型。在三维点云处理软件中,设定冷却塔地面处标高为±0.0m,在5.5、34.0、63.0m高度处创建水平切片,获得冷却塔的圆形横截面切片点云数据。采用最小二乘法对切片点云数据进行圆形轮廓拟合,通过圆形拟合分别计算出5.5、34.0、63.0m高度处横截面圆心坐标,通过比较顶部轮廓圆心相对底部圆心的坐标偏移,得出冷却塔的整体倾斜结果,检测结果见表1。该冷却塔顶部整体向东倾斜0.23‰,整体向北倾斜0.27‰,整体倾斜矢量和为0.35‰,倾斜方向为北偏东40.43°,倾斜值远小于现行《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[3]限值要求。

表1 冷却塔整体倾斜检测结果

现场检测也未发现由地基基础不均匀沉降造成的上部结构裂缝或其他损伤,说明经过30多年的使用,该冷却塔地基基础的变形已稳定,冷却塔地基基础是安全的。

2.1.2 人字支柱

人字支柱钢筋保护层厚度偏小,大部分柱表层混凝土脱落,箍筋外露、锈蚀较严重,部分箍筋已锈断,见图3。部分柱纵筋外侧混凝土胀裂,存在顺筋裂缝;部分柱混凝土脱落严重,截面尺寸已严重削弱,严重处截面损失率约32%,见图4。

图3 柱表层混凝土破坏

图4 柱混凝土脱落严重

对柱碳化深度进行了检测,碳化深度较大,为15～35mm,大部分已超过混凝土保护层厚度。

2.1.3 通风筒筒壁

通风筒筒壁外侧钢筋保护层厚度普遍偏小,最小值仅为3mm,远小于原设计值25mm;大部分筒壁外侧混凝土存在脱落现象,环向钢筋外露、锈蚀较严重,严重处钢筋面积锈蚀损失率已达20%,见图5、6;筒壁外侧部分位置混凝土浇筑质量较差,振捣不密实,存在孔洞、蜂窝,见图7。筒壁内侧未见混凝土脱落、钢筋锈蚀状况,主要存在防腐层脱落问题。

图5 筒壁外侧混凝土破坏

图6 筒壁外侧钢筋锈蚀严重

图7 筒壁外侧混凝土蜂窝麻面

2.1.4 淋水构架

淋水构架为由预制混凝土构件装配而成的结构体系,预制混凝土梁、柱主要存在表层混凝土脱落、局部露筋锈蚀问题,部分较严重,预制构件钢连接件普遍锈蚀,见图8。部分预制混凝土水槽损坏,部分主水槽接头部位锈蚀严重,个别已锈断,见图9。

图8 淋水构架混凝土破坏

图9 预制混凝土水槽损坏

2.1.5 混凝土强度检测

采用钻芯法对冷却塔通风筒混凝土抗压强度进行了检测[4]。沿筒壁不同高度位置钻取芯样,芯样直径均为100mm,加工成高径比为1.0的标准芯样进行抗压试验,钻芯位置及混凝土抗压强度检测结果见表2。

表2 通风筒壁混凝土抗压强度检测结果

考虑到人字柱、淋水构架混凝土构件截面尺寸较小,钻芯后对构件损伤相对较大,为保证结构安全,对人字柱、淋水构架混凝土强度采用回弹法进行了检测[5],混凝土强度推定值见表3。

表3 人字柱、淋水构架混凝土抗压强度检测结果

2.1.6 循环水有害离子含量检测

采用硝酸银容量法对循环水水质进行了检测,检测结果见表4。循环水中氯离子含量较高,其中高炉循环水中氯离子含量平均值为492mg/L,汽机循环水中氯离子含量平均值为529 mg/L。

表4 循环水中氯离子含量检测结果

2.2 损伤原因分析

从检测情况来看,冷却塔主要存在混凝土脱落、钢筋锈蚀等问题。该冷却塔位于我国北方地区,冬季气温很低,夏季气温高,且长期处于潮湿环境,冻融破坏是造成混凝土损伤、脱落的主要原因。混凝土是一种具有多孔结构的材料,混凝土孔隙中自由水饱和后,在冰点温度下水分会逐步冻结,产生结冰水膨胀压力和过冷水渗透压力[6-7],孔隙内壁会出现拉应力,当拉应力超过混凝土抗拉强度时就会导致混凝土开裂,多次冻融循环后,混凝土内部的裂缝会不断扩展、连通,导致混凝土裂缝加剧、脱落。

氯离子的侵入是造成混凝土损伤脱落、钢筋锈蚀的一个原因。冷却塔周围环境中的氯离子侵入混凝土中,会降低钢筋表面的PH值,破坏钢筋表面的钝化膜,导致钢筋锈蚀,锈蚀后的钢筋体积将膨胀约2～3倍,膨胀应力超过混凝土抗拉强度后,将导致混凝土保护层开裂剥落。另外,冷却塔混凝土保护层厚度偏小、碳化深度大、混凝土振捣不密实、抗冻抗渗性能差等原因,都将加剧通风筒筒壁、人字支柱等混凝土构件出现混凝土脱落、钢筋锈蚀等问题。

2.3 鉴定计算结果

采用有限元软件ABAQUS建立模型,对冷却塔进行了承载力计算分析,冷却塔模型见图10。主要考虑自重、风荷载、温度作用和水平地震作用,依据《工业循环水冷却设计规范》(GB/T 50102—2014)[8]计算各单项荷载,非地震工况考虑自重、风荷载、温度作用的基本组合,地震工况考虑水平地震作用、重力荷载代表值、风荷载、温度作用的组合。

图10 冷却塔模型

依据计算分析结果,考虑钢筋截面损失后(按最不利20%考虑),通风筒筒壁在标高15.244～53.669m外侧环向钢筋不足,计算配筋面积与实配钢筋面积相差7%～18%;筒壁环向内侧钢筋及子午向钢筋满足要求。人字柱主要承受轴向力,弯矩和剪力很小,考虑截面损失后(按最不利32%考虑),受压承载力不足。

3 加固处理方案

冷却塔主要存在混凝土脱落、钢筋锈蚀等问题,已严重影响结构的承载力和耐久性能,加固时主要解决两个问题,一是提高结构构件承载力,二是要考虑周边环境条件,解决耐久性问题。对于不同的构件还要根据其类型特点、施工可行性等分别采取相应的措施。

3.1 人字柱

混凝土柱常用的加固方法有粘贴碳纤维布、外包钢法及增大截面等多种加固方法[9-10]。粘贴碳纤维布加固主要是通过约束混凝土来提高柱的抗压承载力,但承载力提高有限;外包钢加固法对柱承载力的提高幅度明显增大;增大截面法通过增大混凝土截面面积并增配钢筋来实现柱的加固,柱承载力和刚度均有大幅提升。

人字支柱是冷却塔受力最为关键的结构构件,一旦破坏会导致整个结构的倒塌。人字支柱箍筋大部分外露、锈蚀较严重,而且部分柱因混凝土脱落截面尺寸严重削弱,致使承载力大幅降低、部分柱承载力不足。采用粘贴碳纤维布、外包钢法加固显然不妥,一方面不能大幅提高承载力,另一方面,人字柱处于暴露环境,且循环水中氯离子含量较高,暴晒下容易导致粘接胶失效,潮湿环境和氯离子侵蚀容易导致钢板锈蚀,存在耐久性问题。因此对人字支柱加固选择了增大截面法,原截面每侧增大75mm,采用C35细石混凝土浇筑,加固示意图见图11,图中d为钢筋直径。加固前应剔除表面疏松混凝土,锈蚀钢筋除锈并涂刷阻锈剂;用压力水冲洗干净并充分湿润混凝土后,在新旧混凝土之间涂刷界面剂,并采用植U形筋的方式增强结合;柱纵向钢筋通过植筋的方式锚入下部基础及上部环梁内。加固完毕后在柱表面涂刷专用防水、防腐涂料。

图11 人字支柱增大截面法加固

3.2 通风筒壁

常用的混凝土筒体加固方法有粘贴碳纤维法、增设钢筋网混凝土面层加固法、增设钢丝绳-聚合物砂浆面层加固法等。通风筒筒壁长期暴露在外界环境中,无可靠防护的情况下粘贴碳纤维的有机胶很容易失效;若采用增设钢筋网混凝土面层加固法,混凝土需采用喷射法施工,施工难度大且喷射质量难以保证。

考虑到通风筒筒壁外侧环向钢筋锈蚀严重,混凝土有脱落现象但截面并未大面积削弱,采用钢丝绳-聚合物砂浆面层的方法显然更为适宜,一方面可以显著提高承载力,而且也便于施工。具体加固方法为:聚合物砂浆面层厚度35mm;钢丝绳网由环向高强镀锌钢丝绳和竖向螺旋肋消除应力钢丝组成,环向钢丝绳规格为1×19,直径6 mm或8mm,竖向间距150 mm或200mm,螺旋肋消除应力钢丝直径7mm,水平间距330～370mm,均匀布置,加固示意图见图12。环向钢丝绳每段长12m,各段间通过闭体花篮螺栓进行连接,使环向钢丝绳绷紧。加固前应剔除表面疏松混凝土,锈蚀钢筋除锈并涂刷阻锈剂,采用高强修复砂浆进行修复;对混凝土脱落严重、存在较大孔洞的部位,应采用C35细石混凝土修复。对筒壁内侧主要进行涂刷专用防水、防腐涂料处理。