鋼筋混凝土煙囪筒壁環(huán)形懸臂的尺寸計算與構(gòu)造設(shè)計

程火焰，張晨暉，李 佳

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭411201）

上世紀(jì)80年代以前，混凝土煙囪的隔熱層多為50mm空氣層，在西北電力設(shè)計院《鋼筋混凝土煙囪防腐蝕研究、電廠煙囪裂縫腐蝕調(diào)查報告》發(fā)表后，空氣隔熱層已無人再設(shè)計，隔熱層材料多選擇珍珠巖，巖棉等及其板材（特別是憎水性的）較多.內(nèi)襯材料多采用輕質(zhì)陶粒耐酸砌塊，陶磚等多種新型耐酸腐蝕耐高溫，導(dǎo)熱系數(shù)小、容重輕，強(qiáng)度滿足要求的隔熱和內(nèi)襯材料.為防止鋼筋混凝土煙囪筒體開裂腐蝕起到了重要的作用.

隨著隔熱內(nèi)襯的大規(guī)模應(yīng)用，對于承受隔熱內(nèi)襯荷載的煙囪內(nèi)壁環(huán)形懸臂的構(gòu)造設(shè)計也逐漸得到了廣泛重視，但目前煙囪設(shè)計規(guī)范《GB 50051━2002》中對于環(huán)形懸臂的構(gòu)造要求與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范《GB 50010━2002》中對于牛腿的構(gòu)造要求存在較大出入.本文結(jié)合某工程實例，通過模型試驗及理論推導(dǎo)，給出了對煙囪設(shè)計規(guī)范《GB 50051━2002》中對環(huán)形懸臂的構(gòu)造規(guī)定的理解，為鋼筋混凝土煙囪筒壁環(huán)形懸臂的構(gòu)造設(shè)計提供了參考.

1 工程事故調(diào)查與原因分析

本工程實例為某公司120m氧化鋁改擴(kuò)建鍋爐煙氣綜合治理脫硫工序匯合煙囪，在40m處，煙囪環(huán)形懸臂因滑模施工，懸臂預(yù)埋鋼筋沒有及時拔出，導(dǎo)致懸臂實際施工鋼筋數(shù)量不能滿足設(shè)計要求，業(yè)主、設(shè)計和監(jiān)理要求對已施工的內(nèi)襯全部拆除并將懸臂鑿除，進(jìn)行植筋加固重新澆筑處理.考慮在40m高空，重設(shè)工作面施工困難，施工工期有限且經(jīng)濟(jì)損失巨大，為此需對此已施工完成的環(huán)形懸臂進(jìn)行可靠性的鑒定和分析，確保該工程的質(zhì)量安全和使用功能.結(jié)合《GB50051－2002》煙囪設(shè)計規(guī)范和《GB50010－2010》混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對鋼筋混凝土環(huán)形懸臂進(jìn)行受力計算及對比分析，提出可行的試驗方案以論證該環(huán)形懸臂可靠性.

論證在配筋不足的情況下環(huán)形懸臂荷載承受能力的可靠性，首先需要分析了解其所具有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn).通過總結(jié)，筆者發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土煙囪的環(huán)形懸臂有著以下幾方面特點(diǎn)：

（1）只受垂直荷載作用：環(huán)形懸臂的作用是用來承受煙囪內(nèi)壁防火內(nèi)襯所帶來的，而防火內(nèi)襯緊貼煙囪內(nèi)壁垂直作用于環(huán)形懸臂，除此之外并無其他荷載作用于環(huán)形懸臂之上，因此環(huán)形懸臂只受垂直荷載的作用.

（2）只受恒荷載作用：與需要承受如吊車梁之類的需要進(jìn)行疲勞驗算的牛腿不同，環(huán)形懸臂上所加持的荷載為恒荷載.

（3）所受荷載相對較?。簾焽璧姆阑饍?nèi)襯一般為耐火涂料及一些其他用途的工程材料（如上述工程案例中的耐酸磚），而這些材料基本上都有著自重較輕的特點(diǎn)，加之環(huán)形懸臂的設(shè)計是以模板長度的倍數(shù)為單位分節(jié)設(shè)置，所以致使環(huán)形懸臂所受荷載相對較小.

綜上所述，煙囪的環(huán)形懸臂所具有的特點(diǎn)為所受荷載相對較小且種類較少，方向單一，因此根據(jù)其特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，在不配置鋼筋的情況下，環(huán)形懸臂的計算過程如下：

（1）確定截面有效高度h：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范《BJG21－66》中所注明的在僅受垂直荷載作用下牛腿的截面尺寸的控制條件為［3］：

其中：Fvk——垂直外荷載，fck——混凝土的抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，b——牛腿的寬度，根據(jù)煙囪設(shè)計規(guī)范《GB50051－2002》中關(guān)于環(huán)形懸臂寬度的要求（在環(huán)形懸臂中，應(yīng)沿懸臂設(shè)置垂直楔形縫，縫的寬度為20～25mm，縫的間距宜為1m左右），此處b為定值.h——牛腿與下柱交接處的截面有效高度.

由公式可以看出，牛腿截面尺寸的控制條件是從梁的截面控制尺寸加嚴(yán)得來的［2］，此公式充分考慮了混凝土截面的承載作用及混凝土本身所具有的抗壓能力，因此非常適合用于無配筋環(huán)形懸臂尺寸的計算.

（2）計算剪跨比a／h值，實驗表明，不論是出現(xiàn)斜裂縫的荷載，還是斜裂縫展開的寬度，都與牛腿的剪跨比a／h（a為豎向力的作用點(diǎn)至下柱邊緣的水平距離）有著密不可分的關(guān)系.由于以上公式只考慮到了牛腿的有效高度h，并沒有計入a／h這一重要因素，因此，單一用上面的公式控制截面高度對于a／h值較大的牛腿是不安全的［4］.所以，在現(xiàn)行規(guī)范《GB50010－2002》中，確定了a／h值的影響［5］，其公式為：

其中：β——裂縫控制系數(shù)，對需要疲勞驗算的牛腿，取0.65，其他牛腿，取0.8，環(huán)形懸臂不需要進(jìn)行疲勞驗算，取0.8.ftk——混凝土的抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度.

通過這兩個公式的組合計算，就可以充分的考慮到混凝土的抗壓及抗拉強(qiáng)度以及一個合理的a／h的值.從而為合理設(shè)計無配筋環(huán)形懸臂提供充分的理論支持.

通過以上兩個公式的計算得出a／h的值之后，還要進(jìn)一步分析a／h值的大小，實驗表明，a／h值的大小會直接影響牛腿的破壞形式，當(dāng)a／h的值大于0.75時，往往會出現(xiàn)彎壓破壞，而彎壓破壞中的混凝土并不能達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，因此必須要在牛腿中布置縱向鋼筋和彎起鋼筋，只有當(dāng)a／h值小于0.75時，牛腿在破壞的時候才會達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度［6］，也就是說，只有當(dāng)a／h的值小于0.75時，通過以上方法得出的計算結(jié)果才是有效的，如果通過計算得出a／h的值大于0.75，那么就要重新按剪切配筋對混凝土牛腿進(jìn)行計算.

2 環(huán)形懸臂的理論計算及模型試驗

根據(jù)上面的公式，結(jié)合該煙囪的相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)，就可以計算出在無配筋情況下該環(huán)形懸臂是否能夠達(dá)到設(shè)計規(guī)定的荷載要求.

由設(shè)計資料可知，事故牛腿應(yīng)受荷載為（考慮荷載分項系數(shù)）53.28kN／m，牛腿截面尺寸如圖1所示（以1m寬作為計算單元），牛腿設(shè)計強(qiáng)度為C30，由以上數(shù)據(jù)可以得出，該處牛腿所受剪力值為543.456kN，而由公式（1）可以計算出，在無配筋情況下，該牛腿所能承受的最大剪力為726.750kN，大于實際所受荷載，證明該環(huán)形懸臂在無配筋情況下能夠承受上部結(jié)構(gòu)所帶來的荷載.

針對以上計算結(jié)果，筆者進(jìn)行了一系列的模型試驗，以此驗證該結(jié)果的可靠性.筆者分別設(shè)置了兩座1∶1實驗?zāi)Ｐ停Ｐ鸵粸閳D1所示的無配筋的環(huán)形懸臂模型，模型二則在模型一的基礎(chǔ)上依照原始要求增加了彎起鋼筋及箍筋，通過對模型的張拉試驗從而進(jìn)行兩種環(huán)形懸臂的承載力對比及對理論數(shù)據(jù)的驗證.

圖1 牛腿截面尺寸

實驗結(jié)果顯示，模型一在張拉機(jī)荷載達(dá)到800 kN左右時迅速出現(xiàn)剪切破壞（如圖2所示），這與通過公式計算得出的理論剪力值接近，證明了該理論計算方法應(yīng)用于此類牛腿的計算上是可行的.

圖2 加載及破壞情況圖片

模型二在張拉機(jī)的加載過程中，首先出現(xiàn)一條斜裂縫①（如圖3所示），隨荷載增加，該裂縫不斷向受壓區(qū)延伸，最終與牛腿下部的柱位置交接，在張拉機(jī)荷載達(dá)到120kN的時候完全破壞.

3 實驗結(jié)果分析

通過以上實驗，可以總結(jié)出牛腿在受壓破壞時，存在以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：

（1）當(dāng) 牛腿的 剪跨比a／h 值較小時 （a／h＜0.75），牛腿一般呈現(xiàn)剪切破壞形式，其特征為在牛腿與下柱的交接面上出現(xiàn)一系列短斜裂縫，隨著荷載逐漸達(dá)到混凝土的極限抗壓強(qiáng)度而迅速沿此裂縫從柱上切下而遭破壞，如圖4所示.

（2）當(dāng)a／h值較大或牛腿內(nèi)部配有受拉鋼筋時，該牛腿一般呈現(xiàn)如圖3所示的彎曲破壞形式，其特征是當(dāng)出現(xiàn)裂縫①后，隨荷載增加，該裂縫不斷向受壓區(qū)延伸，水平縱向鋼筋應(yīng)力也隨之增大并逐漸達(dá)到屈服強(qiáng)度，這時裂縫①外側(cè)部分繞牛腿下部與柱的交接點(diǎn)轉(zhuǎn)動，致使受壓區(qū)混凝土壓碎而導(dǎo)致破壞.

（3）實驗表明，彎筋對推遲斜裂縫出現(xiàn)的作用不大，但對限制斜裂縫的開展具有一定效果，且彎起鋼筋可以分擔(dān)一小部分荷載，但只有當(dāng)a／h值較大時，這種作用才比較明顯，當(dāng)a／h值較小時，這種作用很小，這是因為當(dāng)a／h值較小時，斜裂縫展開角度較陡，而彎起鋼筋多半在荷載面以下，與裂縫呈垂直狀態(tài)，故不能發(fā)揮其作用.

4 總結(jié)及建議

通過以上的理論分析及試驗，筆者初步總結(jié)了適合配置無配筋牛腿的幾種情況

（1）適用于所受荷載較小且荷載種類較單一的牛腿結(jié)構(gòu).

（2）適用于剪跨比較小的牛腿結(jié)構(gòu).

（3）適用于一些在配置鋼筋時難度較大，作業(yè)面難以展開的牛腿結(jié)構(gòu).

需要指出的是，該方法論證的是在特殊條件下進(jìn)行的牛腿結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并不具有廣泛性.希望廣大讀者在今后的施工中不斷提煉總結(jié)，從而提出適用范圍更廣的無配筋牛腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法.

［1］ 丁斌彥.鋼筋混凝土牛腿的計算［J］.工業(yè)建筑，1974（2）.

［2］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)煙囪設(shè)計規(guī)范［S］.GB50051－2002.

［3］ 中華人民共和國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.BJG21－66.

［4］ 彭 榮.牛腿的構(gòu)造與計算［J］.鐵道勘測與設(shè)計，2008（4）：104－409.

［5］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.GB50010－2002.

［6］ 吳衛(wèi)勛.高聳煙囪內(nèi)現(xiàn)澆懸臂環(huán)梁的施工技巧［J］.建筑施工，1995：32－33.