BALCO電廠煙囪坍塌對高煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計的啟示

1、BALCO電廠煙囪坍塌對高煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計的啟示華北電力設(shè)計院工程有限公司馬申返回【摘要】追索BALCO電廠2號鋼筋混凝土271m高煙囪筒壁現(xiàn)場坍塌的現(xiàn)狀，從地基基礎(chǔ)、煙囪薄弱部位構(gòu)造、結(jié)構(gòu)安全度設(shè)計、雷擊和瞬時陣風(fēng)效應(yīng)多方面分析了筒壁坍塌的幾種可能性。對BALCO煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)和構(gòu)造要求于中國現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了具體比較。提出了煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾點啟示，供今后國內(nèi)高煙囪工程設(shè)計參考?！娟P(guān)鍵詞】高煙囪坍塌瞬時陣風(fēng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造防雷接地印度BALCO電廠二期工程燃煤自備電站，裝機(jī)4x300MW，由中國山東電力基本建設(shè)總公司以EPC方式工程總承包。每兩臺機(jī)組配置一座275米高的雙管鋼內(nèi)筒混凝土煙囪。兩個煙囪

2、工程均按EPC合同要求，業(yè)主指定承包商為印度GDCL公司，設(shè)計監(jiān)理及施工監(jiān)理為DCPL公司。該期工程有1號、2號兩座完全相同的雙管鋼內(nèi)筒的套筒煙囪，兩個煙囪相距150m。鋼內(nèi)筒高275m，鋼筋混凝土外筒總高271m，壁厚600mm，頂部外直徑為14.2米，壁厚300mm。2009年9月BALCO電廠1號煙囪鋼筋混凝土筒壁已施工完成，鋼內(nèi)筒正在準(zhǔn)備安裝；2號煙囪鋼筋混凝土筒壁已施工至247.5米。在印度當(dāng)?shù)貢r間2009年9月23日下午3點40分左右，現(xiàn)場天氣突變，狂風(fēng)并伴隨雷電，隨即下起暴雨，在下午3點50左右，2號煙囪發(fā)生坍塌。出現(xiàn)了極其罕見的高煙囪工程施工的重大事故，在我國沒有出現(xiàn)過這樣的事

3、故，世界上也是前所未有的。1高煙囪倒塌的幾個案例鋼筋混凝土高煙囪（120m）在建成運(yùn)行后出現(xiàn)倒塌的事很少見，在煙囪施工過程中倒塌或坍塌事故也比較少見。在國內(nèi)，過去僅出現(xiàn)過兩個。唐山陡河發(fā)電廠1#鋼筋混凝土180m煙囪在1976年唐山大地震時折斷。江蘇戚墅堰發(fā)電廠120m煙囪1983年11月施工到65m標(biāo)高處坍塌。1, 陡河發(fā)電廠1#鋼筋混凝土煙囪高度180m，是當(dāng)時國內(nèi)第一設(shè)計高度，主要根據(jù)“煙囪及煙道設(shè)計手冊（65年），地震設(shè)防烈度按6度設(shè)計，設(shè)計時在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和構(gòu)造上都是很謹(jǐn)慎的。在1976年7月28日唐山大地震時，當(dāng)?shù)氐卣鹆叶冗_(dá)到11度以上。29日15時左右再次余震時，煙囪筒身從134m處

4、折斷，上部約46m混凝土筒身掉下，穿過輸煤棧橋，扎入地面40m以下。2, 1983年11月戚墅堰發(fā)電廠120m鋼筋混凝土煙囪采用滑模工藝，施工到65m標(biāo)高時，平均滑膜每天2.5m左右，由于天氣嚴(yán)寒，混凝土齡期強(qiáng)度跟不上，滑模平臺在施工過程中的不均勻荷載和振動，引起筒身上部混凝土松散脫落，筒身垂直鋼筋和滑模架立鋼筋不能穩(wěn)定支撐滑模平臺，造成煙囪鋼筋搖晃，筒身坍塌。有4個工人從滑模平臺上摔下，出現(xiàn)傷亡。3，BALCO電廠1號煙囪鋼筋混凝土筒壁坍塌現(xiàn)場中方一個目擊者描述：9月23日2號煙囪鋼筋混凝土筒壁已施工至247.5米，下午3點40分左右，現(xiàn)場天氣突變，狂風(fēng)并伴隨雷電，隨即下起暴雨，在下午3點5

5、0左右，煙囪頂部20米左右（煙囪變截面以上約三分之二）處折斷，向左側(cè)（南側(cè)）傾斜約30到45度角，筒壁上出現(xiàn)明顯的V型裂口，感覺煙囪被擰斷一樣，傾斜段伴隨下部筒壁的坍塌下沉，最后向南倒塌，看到倒塌后騰起塵霧，向下坍塌的過程中沒有看到下部煙囪傾斜的現(xiàn)象。中方另一個目擊者描述：當(dāng)時黑云壓頂大雨點開始落下，接著聽到轟隆一聲巨雷響，同時看到#2煙囪上部和下部有白霧冒出，只見中部往下沉下去。從下雨打雷、煙囪倒塌大約2分鐘，煙囪倒塌的聲音不大。圖1煙囪坍塌現(xiàn)場照片（北側(cè)）2BALCO電廠煙囪倒塌原因的初步分析該電廠同時在建1#、2#兩座完全相同的鋼筋混凝土套筒煙囪，2#煙囪倒塌而1#煙囪完好，我們只能從兩

6、個煙囪的差異來分析。目前，有關(guān)專家關(guān)于倒塌原因的疑點集中在：瞬時陣風(fēng)作用、雷電擊中鋼筋或電焊用氣瓶產(chǎn)生的爆炸、施工質(zhì)量差、地基基礎(chǔ)、材料品質(zhì)、旳囪洞口和其他關(guān)鍵部位的配筋不足等。1ft圖2還原事故現(xiàn)場倒塌煙囪殘骸分布示意圖2.1地基基礎(chǔ)的影響B(tài)ALCO電廠二期工程中,1#煙囪采用天然地基，基礎(chǔ)外直徑31米，基礎(chǔ)埋深一14.2米,地基持力層為中風(fēng)化基巖；工程結(jié)頂后半年內(nèi)基礎(chǔ)沉降觀測數(shù)據(jù)表明絕對沉降35mm左右,差異沉降很小。2#煙囪地基處理采用混凝土灌注樁，樁直徑1米，數(shù)量167根，基礎(chǔ)外直徑44米，基礎(chǔ)埋深6.2米，零米處筒壁外直徑25米，壁厚600mm。煙囪坍塌以后，清理出完整的煙囪基礎(chǔ)，測

7、量基礎(chǔ)底板四周的沉降顯示，煙囪坍塌方向基礎(chǔ)底板兩側(cè)的沉降差異僅4-5mm。說明煙囪坍塌不可能是地基失效或基礎(chǔ)破壞而引起。2.2煙囪薄弱部位強(qiáng)度有專家提出：是否煙道入口煙囪薄弱部位強(qiáng)度不足引起煙囪倒塌？煙囪坍塌方向的殘渣堆積高度約10-12m，長度約80m，滑模平臺鋼結(jié)構(gòu)墜落在煙囪基礎(chǔ)旁邊20-30m。說明煙囪不可能是從基礎(chǔ)地面或煙囪煙道入口薄弱部位破壞而倒塌的，否則煙囪倒塌的殘渣物和滑模平臺鋼結(jié)構(gòu)會散落到200m以外。23結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度根據(jù)業(yè)主提供的煙囪施工圖，山東電力工程咨詢院采用中國煙囪設(shè)計規(guī)范（GB50051-2002）及煙囪規(guī)范組編制的煙囪設(shè)計軟件（2009版）在下述假定的條件下，對該

8、煙囪混凝土筒身承載能力進(jìn)行復(fù)核，并對該煙囪的設(shè)計與國內(nèi)規(guī)范要求進(jìn)行了對比。圖3滑模系統(tǒng)操作平臺墜落在煙囪東南側(cè)20m-30m之間設(shè)計風(fēng)速39m/s（在10米高處3秒鐘平均風(fēng)速）（合同數(shù)據(jù)），時距3秒鐘平均風(fēng)速換算成10分鐘平均風(fēng)速，換算系數(shù)：1.406。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范折算成50年一遇基本風(fēng)壓：0.48kN/m2；100年一遇基本風(fēng)壓：0.576kN/m2。根據(jù)Zone-llasperIS-1893latestversion，地震加速度0.10g，對應(yīng)中國規(guī)范規(guī)定的地震烈度為7度。外筒采用C30混凝土，fc=14.3MPa鋼筋采用二級鋼HRB335,fy=300MPa。進(jìn)入煙囪排煙筒的煙氣

9、溫度為120.59C（原設(shè)計工藝資料），通過內(nèi)筒保溫層傳遞到鋼制排煙筒外側(cè)表面的溫度為50Co因為本煙囪是由印度公司完全按照印度公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的，本次核算考慮中和印度標(biāo)準(zhǔn)的差異。只能在以下假定條件下，考慮了四種煙囪的荷載工況，中國規(guī)范對煙囪鋼筋混凝土外筒的承載能力進(jìn)行對比核算。煙囪的四種荷載工況：1）外筒施工到頂，提升裝置未拆除期間出現(xiàn)百年一遇的大風(fēng)；2）外筒施工到頂，提升裝置已拆除，內(nèi)筒未安裝，出現(xiàn)百年一遇的大風(fēng)；3）正常煙囪運(yùn)行期間有百年一遇的大風(fēng)或者地震；4）外筒施工到236m，提升裝置未拆除期間出現(xiàn)百年一遇的大風(fēng)。四個假定條件：1）假定煙囪施工洞口上口標(biāo)高與煙道口底標(biāo)高相等，即假設(shè)施

10、工洞口上口標(biāo)高7.525m。2）在四種工況中煙囪考慮了如下環(huán)境溫度條件：冬季10C，夏季49C。3）對Fe500鋼筋進(jìn)行等強(qiáng)度代換，換為中國的HRB335鋼筋。4）假定頂部提升裝置的垂直荷載為850kN（EPC技術(shù)人員提供），頂部提升裝置遭遇大風(fēng)時的附加水平風(fēng)荷載為150kN。表1煙囪外形尺寸表20514.2000.35018514.2000.350.0292016515.3680.350.0291814516.5350.350.0292012517.7030.350.0291810518.8700.350.029208520.0380.400.029186521.2050.400.02920

11、5521.7890.500.029204522.3730.500.029202523.5410.500.0291816.77524.0210.560.0291912.1524.2910.600.029197.52524.5610.600.02917025.0000.600.02908-2.23525.1300.60圖4煙囪混凝土外筒身現(xiàn)場照片分析計算結(jié)果顯示：橫向風(fēng)振的組合工況在底部的彎矩小于正常風(fēng)荷載組合工況的50%,在底部的剪力約為正常風(fēng)荷載組合工況的32%。顯然從煙囪結(jié)構(gòu)整體分析，橫向風(fēng)振的效應(yīng)不起控制作用。正常風(fēng)荷載組合工況下，混凝土強(qiáng)度均滿足煙囪設(shè)計軟件所規(guī)定的允許混凝土設(shè)計強(qiáng)度。在

12、風(fēng)荷載及溫度共同作用下，煙囪設(shè)計軟件計算的鋼筋配筋率豎向鋼筋總配筋率均滿足按等強(qiáng)度代換的實配鋼筋配筋率。計算結(jié)果表明：該煙囪筒身結(jié)構(gòu)在設(shè)計原則設(shè)定的荷載、材料和設(shè)計工況條件下有足夠的安全度，是不可能坍塌或倒塌的。2.4雷擊可能性也有專家認(rèn)為：雷擊可能造成煙囪上部筒壁混凝土局部破壞，在雷暴強(qiáng)烈下沉氣流、陣風(fēng)及橫向風(fēng)切變影響的綜合作用下，受煙囪筒壁彈性效應(yīng)影響，于筒體上部約20米處高折斷傾斜，傾斜的筒體造成煙囪偏心受壓而失穩(wěn)，筒壁下部混凝土受到上部混凝土筒壁及施工機(jī)具的重力沖擊壓壞并連續(xù)破壞塌落，煙囪根部受到高處墜落混凝土的沖擊和擠壓破壞，最終引起連鎖坍塌?，F(xiàn)場也發(fā)現(xiàn)有混凝土與鋼筋剝離的殘渣，可能

13、是雷擊的一個旁證。但是，殘渣中沒有發(fā)現(xiàn)明顯被雷擊燒傷的痕跡。同時，按照印度的臨時避雷措施標(biāo)準(zhǔn)采用的避雷措施不足以應(yīng)付如此大的雷電強(qiáng)度，最近對2號煙囪避雷接地電阻率試驗中電阻檢測值為1.85歐姆，符合設(shè)計要求。2.5瞬時陣風(fēng)的風(fēng)振效應(yīng)不少專家認(rèn)為：電廠2號煙囪在惡劣的暴風(fēng)雨條件下突然坍塌，主要原因是強(qiáng)烈的風(fēng)振效應(yīng)和煙囪筒壁環(huán)向不均勻風(fēng)荷載，處于施工階段的煙囪頂部混凝土強(qiáng)度不可能達(dá)到28天齡期70%的強(qiáng)度，印度GDCL編制有滑模施工方案規(guī)定每12小時計劃施工高度為1米1.5米，有幾天滑模施工速度曾達(dá)到一天2.6m。瞬時陣風(fēng)作用造成滑模平臺晃動，而且支護(hù)模板的環(huán)向或豎向剛度不足，最終造成頂部結(jié)構(gòu)極限

14、承載力喪失。頂部坍塌的落體沖撞下部結(jié)構(gòu)引起筒身整體連續(xù)坍塌破壞。表2煙囪頂部混凝土養(yǎng)護(hù)齡期及其強(qiáng)度高度（m）澆筑日期養(yǎng)護(hù)時間（d）混凝土強(qiáng)度（）混凝土彈性模量（）247.52009.09.230002422009.09.2035043.82382009.09.1677067.62242009.09.09149187.12197.32009.08.2528100100印度政府在事故出現(xiàn)后，委托三個技術(shù)專家咨詢組對該煙囪倒坍塌的原因進(jìn)行調(diào)查分析，目前還沒有最終結(jié)論。但是，在多方智慧的協(xié)同下，事故處理已經(jīng)基本平息，工程已纟恢復(fù)建設(shè)。2#煙囪已移位重新修建。3高煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和構(gòu)造要求的比較鋼筋混凝

15、土高煙囪筒壁強(qiáng)度設(shè)計的力學(xué)模型、物理模型、計算分析方法在國內(nèi)外基本上沒有多大區(qū)別，地震作用和風(fēng)荷載不同國家有不同的表達(dá)方式，但在地震作用和風(fēng)荷載取值相同地情況下，筒壁強(qiáng)度除了一部分區(qū)段控制斷面以外，基本上都是構(gòu)造配筋。不同國家和不同企業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別主要反映在工程設(shè)計經(jīng)驗，體現(xiàn)在斷面假定、煙道洞口加強(qiáng)、筒身的壁厚和坡度、鋼筋最小配率筋等構(gòu)造規(guī)定。這些經(jīng)驗各有道理和實踐基礎(chǔ)，不能輕易否定或肯定，只能相互參考和借鑒。表3270m高BALCO煙囪實際設(shè)計與這個DL5022-93部分規(guī)定的對比序號內(nèi)容煙囪實際設(shè)計（印度標(biāo)準(zhǔn)）DL5022-93（中國標(biāo)準(zhǔn)）1施工安3口加強(qiáng)4筋士施工安裝口左右兩側(cè)按構(gòu)造要求

16、設(shè)置附加鋼筋，長度超出洞口邊緣2m以暗柱方式，按構(gòu)造要求設(shè)置附加鋼筋。豎向鋼筋每段超過洞口尺寸不小于洞口寬度的1/2（即3.75m）鋼施工安裝口上下兩側(cè)附加鋼筋，長度超出洞口邊緣2m以暗梁方式，按構(gòu)造要求設(shè)置附加鋼筋。由于施工洞口角度已超過30。，且寬度為7.5m，故洞口上下側(cè)應(yīng)有50%的環(huán)向鋼筋通長，其余50%的環(huán)向補(bǔ)強(qiáng)鋼筋超過洞口尺寸不小于2.724m2煙道洞口加強(qiáng)鋼筋煙道洞口左右兩側(cè)附加鋼筋，長度超出洞口邊緣2m以暗柱方式，按構(gòu)造要求設(shè)置附加鋼筋。豎向鋼筋每段超過洞口尺寸不小于洞口寬度的1/2（即2.31m）煙道洞口上下兩側(cè)附加鋼筋，長度超出洞口邊緣2m以暗梁方式，按構(gòu)造要求設(shè)置附加鋼筋

17、。煙道洞口上下兩側(cè)附加鋼筋，長度超出洞口邊緣2.7m3鋼筋混凝土筒身的壁厚根部600mm,頂部300mm。從基礎(chǔ)底板-2.235m到12.15m厚度為600mm。從245.00m到根部800-900mm,頂部不小于250mm。從+0.30m到270.00m。從+0.30米一下為煙囪基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。從+0.30m到基礎(chǔ)底板的壁271.00m厚度為300mm厚為1000mm-1800mm。4筒身豎向坡度筒身從-2.235m到205.00m。豎向坡度為0.029-0.03。205m以上坡度為0.00。筒身從+0.30m到煙道下口。豎向坡度為0.04-0.05。其余坡度為0.02-0.015。5鋼筋混凝土外

18、筒采用的材料混凝土：M30；鋼筋：Fe500，fy=450MPa混凝土：C30，fc=14.3MPa鋼筋采用HRB335,fy=300MPa6鋼筋配率筋外側(cè)豎向鋼筋配筋率0-65m為0.172%-0.256%；65-271m為0.256%0.384%0-270m配筋由計算確定，但應(yīng)0.25%內(nèi)側(cè)豎向鋼筋配筋率0-25m為0.164%-0.399%；25-271m為0.21%-0.384%0-270m配筋由計算確定，但應(yīng)0.25%筒身0-275m外側(cè)環(huán)向鋼筋配筋率0.113%-0.15%應(yīng)0.2%筒身0-275m內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋配筋率0.113%0.15%應(yīng)0.1%4煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾點啟示41結(jié)構(gòu)構(gòu)

19、造設(shè)計的優(yōu)化更重要至U目前，我國建造的高煙囪數(shù)量眾多、安全可靠，出現(xiàn)倒塌的事很少見。說明中國標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計、構(gòu)造規(guī)定還比較成熟可靠，也有豐富的施工經(jīng)驗。高煙囪工程設(shè)計中，由于地震和瞬時陣風(fēng)作用還不能做到真實的模擬分析，目前我國動力煙囪連風(fēng)動力和時程分析都沒有要求計算。煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化關(guān)鍵是有些邊界條件不能確切界定，例如:瞬時陣風(fēng)、筒壁局部穩(wěn)定條件、煙道洞口的局部強(qiáng)度等的定量分析在邊界條件約束控制方面不能精確設(shè)定，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計往往出現(xiàn)一下漏洞和缺陷。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計要特別注意結(jié)構(gòu)構(gòu)造的細(xì)節(jié)，例如:BALCO煙囪鋼筋混凝土筒身實際設(shè)計的壁厚從基礎(chǔ)底板-2.235m到12.15m厚度為600mm,我認(rèn)為

20、本煙囪下部筒壁厚度600mm已經(jīng)比較薄了，地面以下不加厚是一個缺陷；煙道洞口的加強(qiáng)鋼筋是附加幫扎在筒身鋼筋網(wǎng)上，不如在洞口四周加暗梁暗柱加固好。42煙囪滑模工藝施工的問題我國2000年以前采用滑模工藝施工鋼筋混凝土煙囪比較多，當(dāng)滑模速度達(dá)到每天2.0m以上，特別是氣溫較低時，模板會帶動混凝土出現(xiàn)水平裂縫，降低了筒身結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度。實踐說明翻轉(zhuǎn)模板工藝比滑模工藝更容易保證施工質(zhì)量，所以國內(nèi)現(xiàn)在混凝土煙囪施工很少采用滑模工藝。43高煙囪防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)予重視目前國內(nèi)大型燃煤機(jī)組一般配置180-240m咼煙囪，雷雨云層一般出現(xiàn)在150-300m。有專家提出，高聳建筑物可能受到閃電的側(cè)擊或斜擊，高煙囪防雷設(shè)計時還應(yīng)該考慮對側(cè)擊雷的防護(hù)，沿?zé)焽柰采硪欢ň嚯x間隔設(shè)置環(huán)形接地帶。所以高煙囪在建造過程中臨時防雷接地布置和長期運(yùn)行期間防雷接地都要謹(jǐn)慎考慮可靠性，應(yīng)該有專門的高煙囪防雷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在高煙囪施工過程中，應(yīng)注意雷電天氣預(yù)報，提高雷電天氣預(yù)測和監(jiān)控的準(zhǔn)確性，并及時通知現(xiàn)場中止工