钢筋混凝土烟囱筒壁环形悬臂的尺寸计算与构造设计

程火焰，张晨晖，李 佳

（湖南科技大学 土木工程学院，湘潭411201）

上世纪80年代以前，混凝土烟囱的隔热层多为50mm空气层，在西北电力设计院《钢筋混凝土烟囱防腐蚀研究、电厂烟囱裂缝腐蚀调查报告》发表后，空气隔热层已无人再设计，隔热层材料多选择珍珠岩，岩棉等及其板材（特别是憎水性的）较多.内衬材料多采用轻质陶粒耐酸砌块，陶砖等多种新型耐酸腐蚀耐高温，导热系数小、容重轻，强度满足要求的隔热和内衬材料.为防止钢筋混凝土烟囱筒体开裂腐蚀起到了重要的作用.

随着隔热内衬的大规模应用，对于承受隔热内衬荷载的烟囱内壁环形悬臂的构造设计也逐渐得到了广泛重视，但目前烟囱设计规范《GB 50051━2002》中对于环形悬臂的构造要求与混凝土结构设计规范《GB 50010━2002》中对于牛腿的构造要求存在较大出入.本文结合某工程实例，通过模型试验及理论推导，给出了对烟囱设计规范《GB 50051━2002》中对环形悬臂的构造规定的理解，为钢筋混凝土烟囱筒壁环形悬臂的构造设计提供了参考.

1 工程事故调查与原因分析

本工程实例为某公司120m氧化铝改扩建锅炉烟气综合治理脱硫工序汇合烟囱，在40m处，烟囱环形悬臂因滑模施工，悬臂预埋钢筋没有及时拔出，导致悬臂实际施工钢筋数量不能满足设计要求，业主、设计和监理要求对已施工的内衬全部拆除并将悬臂凿除，进行植筋加固重新浇筑处理.考虑在40m高空，重设工作面施工困难，施工工期有限且经济损失巨大，为此需对此已施工完成的环形悬臂进行可靠性的鉴定和分析，确保该工程的质量安全和使用功能.结合《GB50051－2002》烟囱设计规范和《GB50010－2010》混凝土结构设计规范对钢筋混凝土环形悬臂进行受力计算及对比分析，提出可行的试验方案以论证该环形悬臂可靠性.

论证在配筋不足的情况下环形悬臂荷载承受能力的可靠性，首先需要分析了解其所具有的结构特点.通过总结，笔者发现钢筋混凝土烟囱的环形悬臂有着以下几方面特点：

（1）只受垂直荷载作用：环形悬臂的作用是用来承受烟囱内壁防火内衬所带来的，而防火内衬紧贴烟囱内壁垂直作用于环形悬臂，除此之外并无其他荷载作用于环形悬臂之上，因此环形悬臂只受垂直荷载的作用.

（2）只受恒荷载作用：与需要承受如吊车梁之类的需要进行疲劳验算的牛腿不同，环形悬臂上所加持的荷载为恒荷载.

（3）所受荷载相对较小：烟囱的防火内衬一般为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砖），而这些材料基本上都有着自重较轻的特点，加之环形悬臂的设计是以模板长度的倍数为单位分节设置，所以致使环形悬臂所受荷载相对较小.

综上所述，烟囱的环形悬臂所具有的特点为所受荷载相对较小且种类较少，方向单一，因此根据其特点，结合相关规范，在不配置钢筋的情况下，环形悬臂的计算过程如下：

（1）确定截面有效高度h：钢筋混凝土结构设计规范《BJG21－66》中所注明的在仅受垂直荷载作用下牛腿的截面尺寸的控制条件为［3］：

其中：Fvk——垂直外荷载，fck——混凝土的抗压标准强度，b——牛腿的宽度，根据烟囱设计规范《GB50051－2002》中关于环形悬臂宽度的要求（在环形悬臂中，应沿悬臂设置垂直楔形缝，缝的宽度为20～25mm，缝的间距宜为1m左右），此处b为定值.h——牛腿与下柱交接处的截面有效高度.

由公式可以看出，牛腿截面尺寸的控制条件是从梁的截面控制尺寸加严得来的［2］，此公式充分考虑了混凝土截面的承载作用及混凝土本身所具有的抗压能力，因此非常适合用于无配筋环形悬臂尺寸的计算.

（2）计算剪跨比a／h值，实验表明，不论是出现斜裂缝的荷载，还是斜裂缝展开的宽度，都与牛腿的剪跨比a／h（a为竖向力的作用点至下柱边缘的水平距离）有着密不可分的关系.由于以上公式只考虑到了牛腿的有效高度h，并没有计入a／h这一重要因素，因此，单一用上面的公式控制截面高度对于a／h值较大的牛腿是不安全的［4］.所以，在现行规范《GB50010－2002》中，确定了a／h值的影响［5］，其公式为：

其中：β——裂缝控制系数，对需要疲劳验算的牛腿，取0.65，其他牛腿，取0.8，环形悬臂不需要进行疲劳验算，取0.8.ftk——混凝土的抗拉标准强度.

通过这两个公式的组合计算，就可以充分的考虑到混凝土的抗压及抗拉强度以及一个合理的a／h的值.从而为合理设计无配筋环形悬臂提供充分的理论支持.

通过以上两个公式的计算得出a／h的值之后，还要进一步分析a／h值的大小，实验表明，a／h值的大小会直接影响牛腿的破坏形式，当a／h的值大于0.75时，往往会出现弯压破坏，而弯压破坏中的混凝土并不能达到其标准抗压强度，因此必须要在牛腿中布置纵向钢筋和弯起钢筋，只有当a／h值小于0.75时，牛腿在破坏的时候才会达到其标准抗压强度［6］，也就是说，只有当a／h的值小于0.75时，通过以上方法得出的计算结果才是有效的，如果通过计算得出a／h的值大于0.75，那么就要重新按剪切配筋对混凝土牛腿进行计算.

2 环形悬臂的理论计算及模型试验

根据上面的公式，结合该烟囱的相关设计数据，就可以计算出在无配筋情况下该环形悬臂是否能够达到设计规定的荷载要求.

由设计资料可知，事故牛腿应受荷载为（考虑荷载分项系数）53.28kN／m，牛腿截面尺寸如图1所示（以1m宽作为计算单元），牛腿设计强度为C30，由以上数据可以得出，该处牛腿所受剪力值为543.456kN，而由公式（1）可以计算出，在无配筋情况下，该牛腿所能承受的最大剪力为726.750kN，大于实际所受荷载，证明该环形悬臂在无配筋情况下能够承受上部结构所带来的荷载.

针对以上计算结果，笔者进行了一系列的模型试验，以此验证该结果的可靠性.笔者分别设置了两座1∶1实验模型，模型一为图1所示的无配筋的环形悬臂模型，模型二则在模型一的基础上依照原始要求增加了弯起钢筋及箍筋，通过对模型的张拉试验从而进行两种环形悬臂的承载力对比及对理论数据的验证.

图1 牛腿截面尺寸

实验结果显示，模型一在张拉机荷载达到800 kN左右时迅速出现剪切破坏（如图2所示），这与通过公式计算得出的理论剪力值接近，证明了该理论计算方法应用于此类牛腿的计算上是可行的.

图2 加载及破坏情况图片

模型二在张拉机的加载过程中，首先出现一条斜裂缝①（如图3所示），随荷载增加，该裂缝不断向受压区延伸，最终与牛腿下部的柱位置交接，在张拉机荷载达到120kN的时候完全破坏.

3 实验结果分析

通过以上实验，可以总结出牛腿在受压破坏时，存在以下几点特点：

（1）当 牛腿的 剪跨比a／h 值较小时 （a／h＜0.75），牛腿一般呈现剪切破坏形式，其特征为在牛腿与下柱的交接面上出现一系列短斜裂缝，随着荷载逐渐达到混凝土的极限抗压强度而迅速沿此裂缝从柱上切下而遭破坏，如图4所示.

（2）当a／h值较大或牛腿内部配有受拉钢筋时，该牛腿一般呈现如图3所示的弯曲破坏形式，其特征是当出现裂缝①后，随荷载增加，该裂缝不断向受压区延伸，水平纵向钢筋应力也随之增大并逐渐达到屈服强度，这时裂缝①外侧部分绕牛腿下部与柱的交接点转动，致使受压区混凝土压碎而导致破坏.

（3）实验表明，弯筋对推迟斜裂缝出现的作用不大，但对限制斜裂缝的开展具有一定效果，且弯起钢筋可以分担一小部分荷载，但只有当a／h值较大时，这种作用才比较明显，当a／h值较小时，这种作用很小，这是因为当a／h值较小时，斜裂缝展开角度较陡，而弯起钢筋多半在荷载面以下，与裂缝呈垂直状态，故不能发挥其作用.

4 总结及建议

通过以上的理论分析及试验，笔者初步总结了适合配置无配筋牛腿的几种情况

（1）适用于所受荷载较小且荷载种类较单一的牛腿结构.

（2）适用于剪跨比较小的牛腿结构.

（3）适用于一些在配置钢筋时难度较大，作业面难以展开的牛腿结构.

需要指出的是，该方法论证的是在特殊条件下进行的牛腿结构的设计，并不具有广泛性.希望广大读者在今后的施工中不断提炼总结，从而提出适用范围更广的无配筋牛腿的结构设计方法.

［1］ 丁斌彦.钢筋混凝土牛腿的计算［J］.工业建筑，1974（2）.

［2］ 中华人民共和国国家标准烟囱设计规范［S］.GB50051－2002.

［3］ 中华人民共和国钢筋混凝土结构设计规范［S］.BJG21－66.

［4］ 彭 荣.牛腿的构造与计算［J］.铁道勘测与设计，2008（4）：104－409.

［5］ 中华人民共和国国家标准混凝土结构设计规范［S］.GB50010－2002.

［6］ 吴卫勋.高耸烟囱内现浇悬臂环梁的施工技巧［J］.建筑施工，1995：32－33.