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本人通过砖砌烟囱的设计过程,深感有必要对砖砌烟囱的设计特别是构造设计加以深入的研究,以指导设计和施工结构设计
砖砌烟囱设计的设计方面,首先要正确确定设计模型,按照非抗震的荷载组合,进行恒载和风荷载等组合下的结构内力分析,由此进行烟囱截面设计,然后按照地震作用参与组合下的荷载效应计算地震作用,按照底部剪力法求出烟囱底部剪力,向上分配到规定的验算截面上,计算出按照抗震承载力调整系数调整之后的砌体截面承载力,进行截面的抗震验算.上部主体设计完成之后,根据建造地点的地基土层情况和地基承载力情况进行基础设计,便完成了烟囱的结构设计.与一般建筑结构设计不同,烟囱是高耸结构,没有相互独立的多余的荷载传递途径,结构设计的安全必须由构造来提供保证,所有的构造不能出现任何的破坏,这一设计特点必须引起设计者的高度重视.也就是说,任何构造的破坏,都能引起整个结构的破坏.解决这一问题的关键,在于烟囱设计者要高度关注烟囱的构造设计.必须在设计中达到规定的设计深度.其中,几个重要构造问题需要特别重视,只有掌握了烟囱结构设计及构造设计的关键,才能保证烟囱设计的成功.
首先是烟囱筒身钢筋设置问题.砖烟囱的构造很复杂,筒身的圆形截面分为两层,外层抵抗风荷载和自重,内层抵抗热负荷.一般沿烟囱高度每十米为一节,外层砌体分节向内砌出的刚性挑檐支承内衬,内层烟囱衬的重量通过外层烟囱筒身,最后传给基础.外层筒身砌体为红砖砌筑,主要功能为承受烟囱的全部荷载及抵御外部雨雪等,内衬为耐火砖,防止高温烟气对筒身的破坏作用,内衬一般用耐火土砌筑.内外层之间留有隔热层空隙,当烟气温度较高时,空隙内用隔热材料填塞.外层与内层筒身之间,每隔一定高度沿周边均布若干凸出的砖块,使得内衬与外层之间提供均布的支点.内外层筒身均设有钢筋,环形的水平钢筋作用是抵抗温度应力引起的变形或开裂,竖向钢筋的作用是抵抗水平地震作用及日光照射下烟囱筒身温度应力.水平地震作用和温度应力的作用是使烟囱筒身弯曲变形并产生偏心受压,烟囱底部产生水平剪力.这些作用,需要沿烟囱周边均匀分布设置竖向钢筋,螺旋式向上搭接,钢筋下部锚固在基础中,上部锚固在烟囱顶部的压顶梁中.竖向钢筋通过砌体时,需要砍砖,否则竖向钢筋无法向上连续延伸,砌筑时在砍砖处要注意用水泥砂浆填满,以保证砌体的结构整体性.其次是烟囱筒身因开洞引起的强度 削弱需要补强.烟囱工作需要在烟囱底部开有烟道口并在相对的方向上留设清灰口,以解决水平烟道与烟囱的连接问题的灰尘的清理问题.在筒身上多处开洞使筒身强度受到削弱,需要采取构造措施予以补强.解决的方法是,在烟道与烟囱接合处开洞,在洞口的上方设置设置形混凝土拱,将洞口处上方荷载向下传递到洞口两侧的墙体中去.为防止产生侧向推力,混凝土拱为180 度半圆形.仅仅将洞口上方荷载分开传向洞口两侧是不够的,这会使洞口两侧的砌体荷载集中,造成承载力局部不足.为了加强烟囱筒身因开洞引起的强度削弱,烟囱筒身开洞处,要砌筑与筒身垂直的加强翼缘墙垛,这一墙垛要从基础向上延伸到烟道口上方1 米处,以保证烟囱开洞处的荷载均匀地分布在烟囱筒身及加强的翼缘墙垛上,使得筒身开洞处削弱处得到补强,上部筒身荷载传入翼缘墙加强垛,通过翼缘墙加强垛传入烟囱基础.再就是关于内衬砌筑及复合层的传力关系问题及挑檐构造问题.烟囱高度和上口直径由工艺要求决定,保证烟囱抽力和烟气扩散的需要.烟囱沿高度分节,各节壁厚可以不同.烟囱内衬的功能是保证烟气的温度不能过快降低,以保证封闭的热气体柱的高度,没有这一高度就无法形成设计要求的抽力.烟囱内衬由耐火砖砌筑而成,自身重量很大,由烟囱壁在分节处砌出的挑檐必须保证刚性角的需要,砌筑时要认真摆砖,以保证合理组砌,砂浆要饱满,防止砌体通缝,保证挑檐的悬挑作用得以发挥.烟囱内衬与筒身的缝隙处用耐热砂浆抹严密.砖砌烟囱的砌体,在设计要求中必须强调用水泥砂浆勾缝,这也是保证提高烟囱的耐久性和使用寿命的重要构造要求和措施.水平灰缝和立缝均密实,保护砌体不受雨水侵害,防止冻融.
最后是关于烟囱地基勘察问题.砖砌烟囱的设计,由于高宽比远比一般建筑大,属于高耸结构,控制设计的主要为风荷载和地震作用.由于烟囱高度大,荷载集中,在风荷载和地震作用下,在长期的单面日照热作用下,可能产生重心的偏移,造成烟囱地基的不均匀沉降,烟囱筒身倾斜.为此,烟囱基础施工时,对于烟囱所在的场地必须认真进行地质勘察,钻孔数量和密度要达到客观真实揭示烟囱下地基土层分布的要求.除此之外,还要进行钎探,确保烟囱持力土层中没有不良的地质构造和缺陷.烟囱地基要进行沉降量验算,特别要防止基础的不均匀沉降,烟囱基础的不均匀沉降会使烟囱筒身倾斜,这是高耸结构设计最大的安全及使用隐患.烟囱基础要根据所选用的材料不同,采用不同的刚性角.其中,基础底板的台阶要保证要烟囱中心处的刚性角要求.
烟囱要作为一个整体来进行设计,各种构造都是统一的,各种构造都是相互联系的整体,都是服务于结构总体功能的.要从整体功能的角度来对待这些建筑构造设计问题,在设计中要有针对性地明确提出设计要求,特别是在正确计算的基础上,认真进行构造设计,确保烟囱的设计完整.烟囱设计结构设计并不复杂,但是作为高耸结构,设计人员必须给予高度的重视,在此特别强调要搞好烟囱的构造设计,明确构造设计的各种要求,这样才能保证烟囱的设计质量.
