砖烟囱安全等级评定与加固技术*

孙晓阳

(中国建筑第八工程局有限公司总承包公司，上海 201204)

0 引言

20世纪50年代至80年代，为促进生产，加快我国工业化建设，作为工业生产的必备构筑物，烟囱被大量修建。其中，砖烟囱以取材方便、施工简单、成本低廉等优点被广泛应用于工业与民用建筑中，占比较大。经长期使用后，砖烟囱出现材料老化、筒身开裂、地基倾斜等现象。相比拆除重建，在满足正常使用条件下对既有烟囱进行加固改造，既可节省原材料，又能避免大量建筑垃圾的产生，缩短建设周期，延长烟囱使用寿命。对既有烟囱进行加固改造，实现修复再利用，已成为亟待研究的课题。

1 工程概况

加固烟囱位于南京市江宁区汤山街道圣湖西路两侧、阳明山庄以东、昆元水泥厂和银佳水泥厂内，如图1所示。其中，1～3号烟囱为砌体结构，采用烧结普通砖、混合砂浆砌筑，内部无内衬或隔热层，建成于20世纪70年代。1号烟囱高43.5m，筒壁直径由1.8m渐变至4.4m，壁厚由240mm渐变至780mm；2号烟囱高40.2m，筒壁直径由1.8m渐变至3.9m，壁厚由240mm渐变至620mm；3号烟囱高40.4m，筒壁直径由1.8m渐变至3.9m，壁厚由240mm渐变至620mm。

图1 加固烟囱所在区域

2 施工重难点

1)为避免搭设高空操作架导致体量大、工期长、造价高等问题，研发自悬挂提升钢平台，以提高效率。利用有限元软件对自悬挂提升钢平台在各工况下的稳定性进行分析，确保施工过程中自悬挂提升钢平台安全、稳定。

2)基于BIM技术建立自悬挂提升钢平台与钢箍带三维模型，并对模型进行分割，提取数据，实现精准加工，工厂化制作、装配化安装，以提高施工效率，保证施工质量。

3)将烟囱三维模型导入有限元软件，分析烟囱内力与位移，并对加固过程中的应力、应变等进行监测，确定合理工序，确保加固过程稳定、可控。

4)利用自悬挂提升钢平台及钢箍带自上而下对烟囱筒壁外侧进行加固，对宽度较大的裂缝采用高强度水泥基材料进行压力灌浆，对宽度较小的裂缝采用聚合物砂浆进行填充，实现快速、高效加固。自悬挂提升钢平台自动化程度高，安装和拆卸方便，安全性好，可靠性高，烟囱两侧可同步加固，施工效率较高。

5)采用高强度无收缩水泥基灌浆料及配套设备，设备构造简单，抗腐蚀性及耐久性较好，可有效防止结构二次侵蚀。

3 现场检测

为了解烟囱现状，为后续加固提供技术依据，需根据现场实际情况，对地基基础及上部承重结构、结构构件缺陷与损伤、砌筑砂浆抗压强度、砖抗压强度进行检测。

3.1 地基基础及上部承重结构检测

对地基基础及上部承重结构进行现场检测，未见因基础整体或不均匀沉降引起的上部结构开裂、变形和位移等现象，地基基础工作状态正常。

3.2 结构构件缺陷与损伤检测

根据现场实际情况对烟囱构件缺陷与损伤进行检测，发现烟囱四周表面存在不规则裂缝，裂缝最大宽度约25mm。检测部位砖砌体砌筑方法正确，内外搭砌，上下错缝，部分烧结砖出现风化迹象。

3.3 砌筑砂浆抗压强度检测

依据JGJ/T 136—2017《贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程》有关规定，并结合现场实际情况，采用贯入法对烟囱砌筑砂浆抗压强度进行检测。根据检测结果，可推定1～3号烟囱砌筑砂浆抗压强度最小值分别为5.2，5.3，5.6MPa。

3.4 砖抗压强度检测

依据DGJ32/TJ 114—2011《回弹法检测砌体中砖抗压强度技术规程》有关规定，并结合现场实际情况，采用回弹法对随机抽取的3个部位砖抗压强度进行检测。根据检测结果，可推定1～3号烟囱砖抗压强度等级均为MU10。

4 有限元分析

为有针对性地对烟囱进行加固改造，首先需对烟囱进行有限元分析，得到需补强的位置和关键点，从而提高加固效果。结合有限元分析结果，依据GB 51056—2014《烟囱可靠性鉴定标准》进行烟囱安全等级评定。

4.1 建立模型

采用MIDAS Gen软件进行建模计算，筒身普通烧结砖弹性模量为2.4×109N/m2，线膨胀系数为5×10-6/℃。筒顶顶板采用C40混凝土浇筑，混凝土弹性模量为3.25×1010N/m2，线膨胀系数为1×10-5/℃，按烟囱实际尺寸进行建模。

4.2 边界条件与验算参数

可视地基为刚性地基，烟囱底部固定不动，上部为自由端，属于一般支承结构。

依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》有关规定，并结合现场实际情况，确定基本风压为0.40kN/m2，地面粗糙程度为B类。依据GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》有关规定，南京市江宁区抗震设防烈度为7度，地震分组为第1组，基本地震加速度为0.10g。烟囱上部结构构件所处环境为一般露天环境，依据GB 50144—2019《工业建筑可靠性鉴定标准》有关规定，可知烟囱所属环境类别为Ⅰ类，作用等级为B级。外部最高气温为45℃，最低气温为-15℃。

4.3 计算结果分析

4.3.1结构自重作用分析

烟囱在自重作用下的位移、应力云图如图2所示。由图2可知，烟囱最大位移、应力均出现在顶板中心处，最大位移为0.26mm，最大应力为0.33MPa。结构最大应力小于混凝土抗压强度设计值，可知承载力满足要求。

图2 自重作用下烟囱位移、应力云图

4.3.2风荷载作用分析

烟囱在x，y向风荷载作用下的位移、应力云图如图3所示。由图3可知，由于烟囱高度较大，受风荷载影响较大，烟囱顶部出现最大位移，为8.61cm，满足GB 50135—2006《高耸结构设计规范》有关要求；烟囱最大应力出现在底部，为0.68MPa，小于普通烧结砖抗压强度设计值，可知承载力满足要求。

图3 风荷载作用下烟囱位移、应力云图

4.3.3温度荷载作用分析

烟囱在温度荷载作用下的位移、应力云图如图4所示。由图4可知，在升温和降温过程中，烟囱由温差引起的最大位移出现在筒身顶部，为9.77mm；烟囱由温差引起的最大应力出现在顶板中心处，为18.34MPa，小于混凝土抗压强度设计值，可知承载力满足要求。

图4 温度荷载作用下烟囱位移、应力云图

4.3.4地震作用分析

地震作用下烟囱位移、应力云图如图5所示。由图5可知，烟囱最大位移出现在筒身顶部，为2.91mm；烟囱最大应力出现在筒底两侧边缘处，为0.02MPa，小于普通烧结砖抗压强度设计值，可知承载力满足要求。

图5 地震作用下烟囱位移、应力云图

5 安全等级评定

结合现场检测与有限元分析结果，依据《烟囱可靠性鉴定标准》有关规定，将烟囱筒壁安全等级评定为C级，将地基基础安全等级评定为B级。

6 加固方案

根据烟囱安全等级评定与有限元分析结果，采取以下措施对烟囱进行加固：①对筒体存在的裂缝及风化部位进行修复；②对烟囱外侧进行防腐施工，防腐设计年限为15年；③在烟囱筒体外侧整体包覆60mm×8mm竖、环向钢箍带；④在烟囱顶部增设1道压顶圈梁，并浇筑100mm厚混凝土板封堵洞口。

6.1 烟囱顶部清理至结构层

人工清除烟囱顶部避雷针、水泥残渣、混凝土及砖块，烟囱顶部水泥残渣现状如图6所示。清理至结构层后，复测筒体厚度、内外径尺寸等。

图6 烟囱顶部水泥残渣现状

6.2 顶部临时平台就位

为便于圈梁灌浆料浇筑，在筒体顶部搭设临时平台，以提供作业空间。临时平台由└80×8焊接而成，上部搁置于烟囱筒壁上，下部伸入筒体，底部满铺模板，如图7所示。

图7 顶部临时平台

为提供烟囱加固操作平台，确保施工安全，需对顶部临时平台稳定性进行验算。顶部临时平台位移、应力云图如图8所示，由图8可知，顶部临时平台最大位移出现在钢梁悬挑最外侧，为0.41mm；顶部临时平台最大应力出现在钢梁搭接处，为6.78MPa，小于钢材抗拉强度设计值，可知承载力满足要求。

图8 顶部临时平台位移、应力云图

6.3 顶部圈梁灌浆料浇筑

烟囱顶部植筋后，利用汽车式起重机将钢筋笼吊至烟囱顶部进行安装。通过3道钢丝绳将圈梁钢模板固定，与筒体接触部位采用发泡剂密封。采用高强度水泥基灌浆料浇筑圈梁，浇筑完成后进行覆盖、浇水养护。

6.4 自悬挂提升钢平台安装

自悬挂提升钢平台由H200×200×8×12制成，平面布置如图9所示，利用汽车式起重机将其吊装至烟囱顶部，与预埋钢板满焊连接(见图10)，绕钢平台顶部焊接1圈φ25钢筋，用于固定安全绳。

图9 自悬挂提升钢平台平面布置

图10 连接节点示意

6.5 吊篮组装与调试

在自悬挂提升钢平台悬挑部位设置2个外挂点，用于固定吊篮主绳及副绳，如图11所示。吊篮在筒身两侧对称安装，安装完成后进行调试与验收。

图11 吊篮悬挂三维模型

6.6 开裂与风化部位修补

筒体裂缝为贯穿缝，宽度较大，需进行高强度水泥基材料压力灌浆。对于宽度较小且无法灌浆的裂缝，采用聚合物砂浆填实。将风化部位疏松砂浆及砖块剔除后，采用聚合物砂浆填实。

高强度水泥基材料压力灌浆工艺流程如下：①分段 将烟囱按由下而上的空间顺序划分为4段；②标记 对每个工作段内烟囱筒壁裂缝进行标记、修正；③裂缝检测 对每个工作段内裂缝表面进行探缝检测，以确定裂缝宽度、深度、贯穿情况；④裂缝清理 采用吹风机对裂缝进行吹洗，清除表面浮尘，对松动砂浆、即将剥落的劣质砖砌体表面浮渣进行清除；⑤封缝材料拌制 将封缝材料按配合比加水搅拌均匀，然后运至裂缝部位；⑥嵌缝作业 将拌制完成的封缝材料手工搓条，嵌压至裂缝部位，并使用刮刀将封缝材料嵌入裂缝内部，嵌入深度≥20mm，将裂缝口外溢封缝材料清理干净；⑦预埋导管 在每条裂缝最大宽度部位按一定距离预埋透明塑料软导管，埋设深度≥30mm，留设灌注口、排气口(观察口)；⑧灌注灌浆料 封缝材料固化后，进行灌浆作业，采用高强度无收缩水泥基灌浆料，在指定容器内充分搅拌均匀，小批量、多次进行灌浆作业；⑨养护 灌浆完成后进行养护，养护期间不得拔除导管；⑩拔除导管 灌浆料养护结束后拔除导管，并对拔除处缺陷通过封缝材料修补平整。

6.7 筒壁外包钢箍带

按先上后下、先竖向后环向的顺序外包钢箍带，并嵌缝填实，钢箍带布置如图12所示。

图12 钢箍带布置示意

1)基准点选取与竖向钢箍带中线确定

将烟囱外爬梯中心线作为基准点，上下烟囱外壁按等分原则划分为十等分线，每条等分线为竖向钢箍带粘贴中心线，并在上下烟囱外壁做好标记。

2)临时悬挂点设置

在烟囱顶部砖帽处，将环向钢箍带固定在烟囱外壁，作为竖向钢箍带临时悬挂吊点。

3)竖向钢箍带安装

安装烟囱砖帽以上竖向钢箍带，上口弯折成90°，并将M10化学锚栓固定在压顶圈梁上口、侧面，过砖帽处空隙使用聚合物砂浆、快干水泥嵌缝填实，确保空隙被填满。将粘贴钢箍带的烟囱工作面清洗干净，并进行找平、修补、磨光。竖向钢箍带安装过程中，对于固定后具有较大安装缝隙的部位，及时采用封缝材料填实，防止竖向钢箍带与烟囱外壁脱空。

4)环向钢箍带安装

每道环向钢箍带分为2个半圆环，两端分别采用螺栓收紧器进行收紧，如图13所示。对每道环向钢箍带进行精确定位，并做好标记，标记点不少于3个。将粘贴钢箍带的烟囱工作面清洗干净，并进行找平、修补、磨光。采用汽车式起重机或钢丝绳+滑轮将具有标记的环向钢箍带运至指定部位，通过吊篮将工人运至螺栓收紧器位置，先调整环向钢箍带位置，再同时收紧两端螺栓，直至环向钢箍带完全收紧。按由上而下的顺序逐个安装做好标记的环向钢箍带，所有环向钢箍带安装到位后进行嵌缝、灌浆。利用快干水泥或聚合物砂浆填充所有竖向、环向钢箍带空隙。

图13 环向钢箍带节点连接

6.8 烟囱筒体内外侧防腐施工

分2遍滚涂渗透增强型清水混凝土罩面保护剂，第1遍滚涂完成后30min内完成第2遍滚涂。第1遍滚涂材料加1倍水稀释，第2遍滚涂材料为原液，施工完成后自然养护1h以上。

6.9 烟囱监测

为避免施工对烟囱产生影响，对烟囱内力、振动、裂缝和整体倾斜进行监测，以保证结构安全。主要监测内容包括：①使用表面式应变计对关键部位进行应力、应变监测；②使用测缝计对关键部位进行裂缝监测；③使用倾角仪对整体倾斜度进行监测；④使用加速度传感器对振动速度进行监测。

7 加固注意事项

1)由于1～3号烟囱高度均>40m，加固施工属高空作业，需在待加固烟囱周边半径10m范围内采用封闭式防护，施工作业期间禁止外人入内，防止高空坠物造成意外伤害。

2)烟囱周边为施工危险区，应设明显标识，并在通道上设置防护棚。

3)如遇6级及以上大风或雷雨天气，不得进行高空作业。

4)高空作业人员须持证上岗，系好安全带，安全带与安全绳须通过安全绳锁相连，高空作业人员使用工具应随手装入工具袋内，禁止随意抛掷。

5)垂直运输系统上下滑轮应设置防止钢丝绳脱槽的设备，并应由专人检测与维护。

6)烟囱底部、工作面及地面管理人员应配备声光信号及通信设备。

8 结语

依托砖烟囱安全等级评定与加固改造工程，对地基基础及上部承重结构、结构构件缺陷与损伤、砌筑砂浆抗压强度、砖抗压强度进行现场检测。考虑加固过程中可能出现的问题，采用有限元软件分析烟囱位移、应力等，确保结构满足安全要求。针对现场检测与有限元分析结果，有针对性地提出经济可行、安全可靠的加固改造方案。加固后烟囱已于2019年9月通过验收并投入使用，目前各项功能情况良好，表明加固技术效果较好，保证了烟囱后期安全使用，延长了烟囱使用寿命。