本站原创摘 要：论文介绍了焦炉抵抗墙目前的使用状况和基本性能,特别是热负荷作用下的破损状况；根据调查检测的结果,对焦炉抵抗墙结构进行了系统的力学分析和承载力校核；结合调查检测和计算分析的结果,分析了其破损原因,并对焦炉抵抗墙的可靠性进行7综合评定,判定了焦炉抵抗墙的可靠性等级.
关 键 词：抵抗墙；破损原因；可靠性；加固
1 基本情况
某钢铁公司焦化厂1#、2#焦炉原系3#、4#焦炉异地扩建工程项目.其中2#焦炉建于1984年3月,于1987年7月竣工,投产至1994年9月已生产210万吨焦碳；1#焦炉于1987年7月动工,于1988年7月投产,至1994年9月已生产174万吨焦碳.至今目前该两座焦炉炉龄以近16～17年.焦炉基础结构由基础顶板、基础构架柱和柱基础组成.抵抗墙在焦炉基础纵向的两端.抵抗墙由墙板和构架(水平梁及柱)组成,为现浇钢筋混凝土结构,墙体与构架整体浇筑.墙体标高为10.5m.两座焦炉投产使用后不久,即发现其耐热混凝土抵抗墙柱体产生不同程度的裂缝,并于1990年和1994年对其进行了检测加固.经多年观察监测表明：抵抗墙破损不断恶化,裂缝宽度、数量均有明显发展和扩展.
焦炉系统的建筑物主要由焦炉基础、大小间台、筛焦楼、通廊及烟道和凉焦台构成.其中大小间台位于焦炉基础的两侧.大间台在两座焦炉中间,为两层二跨钢筋混凝土结构,长度为14.3m,宽度为13.6m,板顶板标高为10.21m,间台梁两端简支于抵抗墙柱上,中间简支于框架柱.小间台在焦炉基础的两侧为两层单跨钢筋混凝土结构,长度为14.3m,宽度为3.8m,各层层高与大间台相同,间台梁一端简支于抵抗墙柱上,另一端简支于煤塔柱牛腿上或墙上.筛焦楼为钢筋混凝土框架结构,共有四层.框架长16.60m,宽14.50m,顶板标高为24.2m.总烟道、分烟道、凉焦台均为钢筋混凝土结构.烟囱为钢筋混凝土构筑物,高度为90m.通廊桁架为钢结构.
本次检测的为焦炉系统的抵抗墙部分,原设计抵焦炉抵抗墙采用C20耐热混凝土,现浇墙柱和横梁,预制装配墙板.设计要求抵抗墙耐热混凝土选用“经过鉴定确保热稳定性的重矿渣为集料,以矿渣硅酸盐水泥为胶结料配制而成的混凝土,水灰比不得大于0.5.预制墙板用料符合要求,而现浇梁柱施工时却擅自改用碎耐火砖骨料.1#、2#焦炉运行中抵抗墙外表面温度状况如下：标高-2.38m～1.00m段为地下室(统称下柱),处于常温状态；标高1.00m～4.74m段为蓄热室区,温度分布由下至上呈从常温向120℃过渡状态(指抵抗墙表面温度,此段称中柱)：标高4.74m～10.5m段为炉子区,该段抵抗墙表面温度分布为由下而上呈高温(120℃)向较低温(70℃～80℃)过渡状态.为便于表达抵抗墙各柱的现状,本次鉴定中采用以下表示符号和编号,详见图1a、图1b所示.例如1#s①上-表示1#炉南抵抗墙①号柱上端.
2 现场检测与试验结果分析
2.1 材料物质性能
采用回弹法、超声及取芯综合法对鉴定区域的混凝土强度进行测试.
对耐热混凝土柱的混凝土强度,所采用的三种实测方,所得结果中,超声法结果表明,实测时虽已避开混凝土柱表面繁多裂缝,但却难以避开贯穿内部的诸多裂缝,因此,所测数据不能正确反映混凝土强度,而可提供混凝土柱内部裂缝分布的状况；回弹法测定结果数据较为离散,但仍有其规律性,如各抵抗墙混凝土柱,均以中上段(受热区)柱的强度比下段(非受热区)有明显降低,详见表1；本工程中,钻取混凝土芯样的试验结果,仅代表混凝土柱内部及外表面均无破损部位的混凝土强度(可以认为最佳强度).但此值与3#炉普通混凝土相比仍然低31％,比耐热混凝土(C20,龄期三个月),低48％.
综合分析结果表明：抗拉强度试验结果比普通混凝土低33％,弹性模量低40～50％,这表明抗拉性能低,孔隙率大.
2.2 抵抗墙温度分析
2.2.1抵抗墙板的温度分布.经红外摄像所得资料表明,墙板外表面温度沿高度方向从常温逐渐向高温过渡,至+4.74m～+5.74m左右,温度达最高再向上温度又渐渐下降.各抵抗墙板温度变化规律基本相同,仅抵抗墙中部(②～④柱间)板温度略高于边端板,以及受外界气温环境影响引起的变化.
2.2.2 抵抗墙混凝土柱的温度分布：经红外摄像和预埋热敏电阻实测表明：沿柱高度受热温度,在靠近墙板侧,温度变化规律与墙板相同.沿柱断面温度分布,沿柱截面外表面温度沿高度方向从常温逐渐向高温过渡,在沿柱高方向的中轴线上温度达最高,再向两边温度又渐渐下降.
检测中测试了热源附近构件的表面温度.测试结果说明,构件表面温度不至于影响材质,对结构内力的影响也有限.
3 计算分析
根据现场检测、材质分析、工程图纸及有关资料,对焦炉抵抗墙进行了验算分析.主要承重构件承载能力验算结果各项指标(最低控制指标)均给出抗力与荷载效应比值(R/(Y.S)值),式中R为结构或构件的抗力,S为结构或构件的作用效应,Y.为结构重要性系数,对安全等级为一级、二级、的结构构件,可分别取1.1、1.O、0.9,本厂房各类构件Y.均取1.0.
计算简图,图中荷载参数如图3、图4,框架上作用的荷载是根据本工程有关单位提供的实际参数确定的.
验算结果表明：1)如果原设计条件,混凝土强度满足原设计要求,抵抗墙柱的承载能力,下柱R/(Y.S)等于1/05～4/08>1/O,上、中柱R(Y.S)等于1.17～2.21>1.O,柱承载能力满足要求,但部分柱段的富裕不多.由于柱截面开裂严重,当考虑柱的破损时实际承载能力要受到一定影响,构件或杆件的承载力不满足或略低于现行国家规范的要求,鉴定评级中应考虑实际情况折减后予以判断；2)由于混凝土梁破损较少,安原截面积计算承载能力时,完全可以满足使用要求.如果横梁表面没有较大开裂,混凝土强度满足原设计要求,抵抗墙横梁承载能R.(Y.S)>1.0,承载能力满足要求,但由于部分横梁表面开裂破损严重,鉴定评级中应考虑实际情况折减后予以判断.
由于影响因素复杂,抵抗墙柱和横梁的理论计算数据结果难以准确反映抵抗墙柱和横梁的真实受力情况,这将直接影响主体框架实际应力的分析结果.
抵抗墙框架计算结果(见表2、表3)
4 厂房可靠性分析
4.1 评定结论及对策
通过对焦化厂焦炉抵抗墙系统的调查检测、计算分析和鉴定评级,焦炉抵抗墙系统破损结论及对策如下：
4.1.1 原因
1)耐热混凝土集料选用不当.材质取样的试验结果证实：所用耐火砖骨料中含膨胀系数较大的矽线石约40％,粉料中含矽线石约30％,且骨料中含有较多低熔点的碱土金属离子,其存在能促使骨料中各晶体发育长大,高温状态尤其活跃.由此确定施工中擅自改用的耐火砖骨料热膨胀性大,热稳定性差.耐热混凝土内部应力不平衡产生微裂缝,在环境温度循环变化,环境温度和环境水侵蚀、酸性气体腐蚀等作用下,使得耐热混凝土原材料因矿相内应力及已有裂缝不断扩大,导致混凝土强度降低,造成结构胀裂破损.
2)温度应力作用.验算分析证明：温度作用下抵抗墙椎截面产生的温度应力远大于其耐热混凝土抗拉强度.柱内温度高,温度梯度大,由温度梯度造成的温度应力较大,温度应力等应力线呈斜劈状劈向高温中心,当应力超过该温度下混凝土复杂拉力的抗拉强度极限时,混凝土就会开裂,从而沿柱截面温度分布梯度方向出现裂缝.开裂后应力释放,造成应力重分布,继而在新的应力处集中,一旦该处应力超过那里混凝土复杂应力的抗拉强度极限时,又形成新的裂缝,如此反复作用导致裂缝的继续处现和发展.
4.2 结论
通过对焦化厂1#、2#焦炉抵抗墙系统的调查检测、计算分析和鉴定评级,结论如下：抵抗墙系统可靠性的综合等级为,不满足国家现行规范要求,应及时采取修复、加固措施提高厂房的可靠性.
4.3 存在的主要问题
1)由于1#、2#焦炉抵抗墙的主要承重结构柱和横梁采用了热膨胀系数大,热稳定性差的耐火砖为骨料和粉料,配制的耐热混凝土,在温度循环变化和温度(水汽)(该地区常年大气湿度为75％～81％),酸性气体侵蚀等作用下,该部分结构耐热混凝土的物理性能将继续下降,裂缝将继续扩展和有新的破损现象；
2)如果继续使用,混凝土柱和横梁在生产温度继续作用下,裂缝将继续扩展,并产生新的裂缝和破损；
3)目前状态已属以上两种主要因素的作用下 造成抵抗墙承重结构的严重破损,抵抗墙系统可靠性的综合等级已属,应尽早采取加固措施为宜；
4)各抵抗墙板因所处环境和受力状态以及制作条件等均较有利,损坏较小,可继续使用；
5)根据厂方提供的测量以前的成果报告书,抵抗墙系统的个别轴线柱曾出现倾斜现象,虽然倾斜不大,但由于影响因素复杂,特别是温度影响较大,柱位移和框架变形的测量数据难以准确反映抵抗墙系统变形和沉降的真实情况,这将直接影响主体框架附加应力的分析结果.应特别注意是柱的变形的测量数据较异常的情况.
4.4 对策
由于以上问题严重影响了抵抗墙系统的可靠性,应及时采取修复、加固措施提高抵抗墙系统的可靠性,建议采取以下对策：
1)各抵抗墙混凝土柱的中上段必须加固；+4.74m～+10.50m,混凝土横梁必须加固.
2)抵抗墙混凝土柱的下段(-2.38m～+1.OOm区段)从受荷状态分析,宜以加固为妥.
3)对抵抗墙混凝土柱变形情况继续进行精确测量,及时查找测量数据异常的原因,必须及时采取措施阻止混凝土柱变形得继续发展,采取措施保证柱基稳定和混凝土柱的可靠性.
除了上部结构和地基基础的这些处理措施,在生产过程中也应保证抵抗墙系统的正常使用,避免事故发生,严禁在结构构件上随意设置吊点,及时清灰等等；同时还应对抵抗墙系统进行正常的维护,及时对腐蚀构件和杆件进行防腐处理,及时修复损伤的构件和杆件.
4.5 加固方案
建议的一种加固方案如下：
1#、2#焦炉抵抗墙混合结构加固方案要点：
(1)柱子.标高1.00m平台以下采用穿套外包细石混凝土,标高1.00m平台以上采用外包钢、内浇灌浆料加固.
(2)横梁.标高1.00m处平台梁外包劲性细石混凝土,标高4.74m处平台梁和标高10.5m处平台梁采用外包钢、内浇灌浆料加固.
(3)预制装配墙板基本完好,继续使用不予加固.
(4)材料选用.普通3#钢、500#灌浆料,C20细石混凝土.
5 结语
论文研究成果不仅揭示了焦炉抵抗墙目前的使用状况和基本性能,判定了焦炉抵抗墙的可靠性水平,从加固方面简要提出了相应的对策,为焦炉抵抗墙安全问题的解决提供了技术依据,对于类似灾害的研究也有一定的参考价值.