高海軍，盧淑雯，黃 翔

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

雙曲線型自然通風(fēng)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(gòu)筑物。雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔的塔身采用雙曲線薄壁空間結(jié)構(gòu)，冷卻塔結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)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(chǔ)。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(shè)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(fēng)雙曲線冷卻塔為例，詳細介紹了現(xiàn)場檢測、結(jié)構(gòu)鑒定及處理修復(fù)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(chǔ)底面直徑為 57.05 m，基礎(chǔ)最外側(cè)直徑為 60.65 m。高度 55.0 m 處為喉部，對應(yīng)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(jié)構(gòu)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(gòu)）筑物進行改造、改建前，應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果如下。

2.1 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查

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

1）地基及基礎(chǔ)。該冷卻塔為環(huán)形基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場開挖，基礎(chǔ)下部為卵石層，底部標高約為 -2.25 m，基礎(chǔ)底部寬 3.6 m。通過對基礎(chǔ)及上部構(gòu)件檢查，未發(fā)現(xiàn)有基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生的開裂及變形，基礎(chǔ)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(yīng)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(chǔ)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(fēng)荷載及溫度應(yīng)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(gòu)件混凝土強度測試結(jié)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(jié)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(shè)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(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準》［3］的相關(guān)要求，現(xiàn)場對相應(yīng)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(chǔ)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(nèi)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(chǔ)、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(shè)計規(guī)范》的要求。

3 冷卻塔內(nèi)力計算

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

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

3.1 風(fēng)荷載作用工況分析

冷卻塔這種高聳薄壁空間結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是主要的控制荷載，在風(fēng)荷載作用下雙曲線冷卻塔的破壞是由于塔筒迎風(fēng)面承受的最大拉應(yīng)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(fēng)載荷在筒壁風(fēng)壓值與塔的高度、塔群效應(yīng)有關(guān)系［4］。

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

圖8 冷卻塔在風(fēng)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(jié)構(gòu)，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(yīng)力云圖來看（見圖9～10），冷卻塔在自重作用下，最大應(yīng)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(yīng)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(shè)防烈度為 8 度（0.2 g）第二組，按現(xiàn)行規(guī)范要求進行結(jié)構(gòu)抗震計算。從冷卻塔地震作用下的位移及應(yīng)力云圖（見圖11～12）來看，冷卻塔在地震作用下，最大應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)系統(tǒng)分為地基基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施三個部分。評級結(jié)果如表1 所示。

圖11 冷卻塔在地震作用下應(yīng)力云圖

圖12 冷卻塔在地震作用下位移云圖

表1 評級結(jié)果

該雙曲線型冷卻塔可靠性鑒定結(jié)果為四級的主要原因是上部承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在裂縫、露筋銹蝕，混凝土剝落等損傷，附屬避雷設(shè)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(nèi)力計算結(jié)果看，加固處理的基本思路是修復(fù)筒身損傷、提高人字柱及基礎(chǔ)承載能力；關(guān)鍵是保證新舊材料結(jié)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(chǔ)采用增加截面的方式加固，新增縱向鋼筋及拉結(jié)筋，新增 L 形和 U 形縱向鋼筋，下部植入到原基礎(chǔ)內(nèi)。施工前，應(yīng)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(yīng)預(yù)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(shè)施等外露金屬構(gòu)件應(yīng)進行更換。

6 結(jié) 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(yīng)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(gòu)件受到凍融。檢測鑒定應(yīng)重點關(guān)注主要受力構(gòu)件損傷情況。加固改造時，針對不同的損傷結(jié)合受力分析，提出針對性的加固修復(fù)方案。Q