針對既有雙曲線型冷卻塔結構的安全性檢測鑒定及處理

高海軍，盧淑雯，黃 翔

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

雙曲線型自然通風冷卻塔是鋼鐵廠、發(fā)電廠用于工業(yè)循環(huán)水冷卻的重要構筑物。雙曲線自然通風冷卻塔的塔身采用雙曲線薄壁空間結構，冷卻塔結構由基礎環(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。我國 20 世紀 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行可靠性檢測鑒定。本文以某既有自然通風雙曲線冷卻塔為例，詳細介紹了現(xiàn)場檢測、結構鑒定及處理修復方案。

1 工程概況

某鋼鐵廠冷卻塔，建造具體年代約為 20 世紀80年代，淋水面積約為 2 000 m2，塔高約 70 m，基礎底面直徑為 57.05 m，基礎最外側直徑為 60.65 m。高度 55.0 m 處為喉部，對應直徑為 15.0 m。壁厚標高 5.6～35.0 m 處厚度為 400 mm 減小至 120 mm，標高 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 冷卻塔結構平面布置圖

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)冷卻塔將進行改造利用，既有建（構）筑物進行改造、改建前，應進行可靠性鑒定，主要目的是全面、準確地掌握其性能、狀況和所承受的各種作用，準確評價其可靠度水平，為后續(xù)的改造設計、施工、使用、管理提供依據(jù)。

2 現(xiàn)場檢測

根據(jù)冷卻塔的結構特點，參考了 GB 50144-2008《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》［1］，分別對冷卻塔的結構現(xiàn)狀及尺寸、材料強度、鋼筋配置及碳化深度進行了檢測，檢測結果如下。

2.1 結構現(xiàn)狀調查

該結構為雙曲線型冷卻塔，現(xiàn)場調查該冷卻塔已廢棄使用多年，未見維護維修。

1）地基及基礎。該冷卻塔為環(huán)形基礎，通過現(xiàn)場開挖，基礎下部為卵石層，底部標高約為 -2.25 m，基礎底部寬 3.6 m。通過對基礎及上部構件檢查，未發(fā)現(xiàn)有基礎不均勻沉降產(chǎn)生的開裂及變形，基礎未發(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力主要集中在環(huán)梁與柱的交接處。通過對該冷卻塔進行檢查，由于使用環(huán)境的侵蝕，環(huán)梁附近的混凝土保護層嚴重脫落，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、風荷載及溫度應力，冷卻塔由 40 組人字柱進行支撐、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 構件混凝土強度測試結果

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

2.3 碳化深度檢測

根據(jù) GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》［3］的相關要求，現(xiàn)場對相應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、人字柱、環(huán)梁及筒身的混凝土保護層厚度進行檢測，大部分的保護層厚度不滿足 GB/T 50102-2014《工業(yè)循環(huán)水冷卻設計規(guī)范》的要求。

3 冷卻塔內力計算

采用有限元分析軟件 Midas Gen 對雙曲線冷卻塔結構不同荷載工況下的內力和變形進行模擬計算，其中相關計算參數(shù)按現(xiàn)場實測值并結合部分設計圖紙取值。荷載工況包括結構自重工況、風荷載工況、地震作用工況等。

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

3.1 風荷載作用工況分析

冷卻塔這種高聳薄壁空間結構，風荷載是主要的控制荷載，在風荷載作用下雙曲線冷卻塔的破壞是由于塔筒迎風面承受的最大拉應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。風載荷在筒壁風壓值與塔的高度、塔群效應有關系［4］。

通過對風荷載作用工況下冷卻塔的數(shù)值分析結果可以看出（見圖7～8），在風荷載作用下，冷卻塔應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 冷卻塔在風荷載作用下應力云圖

圖8 冷卻塔在風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構，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力云圖來看（見圖9～10），冷卻塔在自重作用下，最大應力出現(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)為抗震設防烈度為 8 度（0.2 g）第二組，按現(xiàn)行規(guī)范要求進行結構抗震計算。從冷卻塔地震作用下的位移及應力云圖（見圖11～12）來看，冷卻塔在地震作用下，最大應力出現(xiàn)在喉部區(qū)域，最大位移位于冷卻塔的剛性環(huán)下方。

4 結構安全性鑒定

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

圖11 冷卻塔在地震作用下應力云圖

圖12 冷卻塔在地震作用下位移云圖

表1 評級結果

該雙曲線型冷卻塔可靠性鑒定結果為四級的主要原因是上部承重結構構件存在裂縫、露筋銹蝕，混凝土剝落等損傷，附屬避雷設施不完整，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)場檢測及內力計算結果看，加固處理的基本思路是修復筒身損傷、提高人字柱及基礎承載能力；關鍵是保證新舊材料結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)梁基礎采用增加截面的方式加固，新增縱向鋼筋及拉結筋，新增 L 形和 U 形縱向鋼筋，下部植入到原基礎內。施工前，應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）破損較嚴重的人字柱應預先進行臨時的支頂，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)縱向主筋銹蝕較嚴重的部分采取補充鋼筋增強方式處理，新增縱向及環(huán)向配筋沿人字柱進行增大截面加固。

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

4）爬梯、平臺、進人洞鋼門、淋水裝置護欄、避雷設施等外露金屬構件應進行更換。

6 結 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，應采取措施控制好鋼筋保護層，涂刷防腐涂料來提高耐久性。在使用過程中，注意維護，避免構件受到凍融。檢測鑒定應重點關注主要受力構件損傷情況。加固改造時，針對不同的損傷結合受力分析，提出針對性的加固修復方案。Q