BALCO电厂烟囱坍塌对高烟囱结构设计的启示

1、BALCO电厂烟囱坍塌对高烟囱结构设计的启示华北电力设计院工程有限公司马申返回【摘要】追索BALCO电厂2号钢筋混凝土271m高烟囱筒壁现场坍塌的现状，从地基基础、烟囱薄弱部位构造、结构安全度设计、雷击和瞬时阵风效应多方面分析了筒壁坍塌的几种可能性。对BALCO烟囱结构设计的标准和构造要求于中国现行设计标准进行了具体比较。提出了烟囱结构设计的几点启示，供今后国内高烟囱工程设计参考。【关键词】高烟囱坍塌瞬时阵风结构构造防雷接地印度BALCO电厂二期工程燃煤自备电站，装机4x300MW，由中国山东电力基本建设总公司以EPC方式工程总承包。每两台机组配置一座275米高的双管钢内筒混凝土烟囱。两个烟囱

2、工程均按EPC合同要求，业主指定承包商为印度GDCL公司，设计监理及施工监理为DCPL公司。该期工程有1号、2号两座完全相同的双管钢内筒的套筒烟囱，两个烟囱相距150m。钢内筒高275m，钢筋混凝土外筒总高271m，壁厚600mm，顶部外直径为14.2米，壁厚300mm。2009年9月BALCO电厂1号烟囱钢筋混凝土筒壁已施工完成，钢内筒正在准备安装；2号烟囱钢筋混凝土筒壁已施工至247.5米。在印度当地时间2009年9月23日下午3点40分左右，现场天气突变，狂风并伴随雷电，随即下起暴雨，在下午3点50左右，2号烟囱发生坍塌。出现了极其罕见的高烟囱工程施工的重大事故，在我国没有出现过这样的事

3、故，世界上也是前所未有的。1高烟囱倒塌的几个案例钢筋混凝土高烟囱（120m）在建成运行后出现倒塌的事很少见，在烟囱施工过程中倒塌或坍塌事故也比较少见。在国内，过去仅出现过两个。唐山陡河发电厂1#钢筋混凝土180m烟囱在1976年唐山大地震时折断。江苏戚墅堰发电厂120m烟囱1983年11月施工到65m标高处坍塌。1, 陡河发电厂1#钢筋混凝土烟囱高度180m，是当时国内第一设计高度，主要根据“烟囱及烟道设计手册（65年），地震设防烈度按6度设计，设计时在结构强度和构造上都是很谨慎的。在1976年7月28日唐山大地震时，当地地震烈度达到11度以上。29日15时左右再次余震时，烟囱筒身从134m处

4、折断，上部约46m混凝土筒身掉下，穿过输煤栈桥，扎入地面40m以下。2, 1983年11月戚墅堰发电厂120m钢筋混凝土烟囱采用滑模工艺，施工到65m标高时，平均滑膜每天2.5m左右，由于天气严寒，混凝土龄期强度跟不上，滑模平台在施工过程中的不均匀荷载和振动，引起筒身上部混凝土松散脱落，筒身垂直钢筋和滑模架立钢筋不能稳定支撑滑模平台，造成烟囱钢筋摇晃，筒身坍塌。有4个工人从滑模平台上摔下，出现伤亡。3，BALCO电厂1号烟囱钢筋混凝土筒壁坍塌现场中方一个目击者描述：9月23日2号烟囱钢筋混凝土筒壁已施工至247.5米，下午3点40分左右，现场天气突变，狂风并伴随雷电，随即下起暴雨，在下午3点5

5、0左右，烟囱顶部20米左右（烟囱变截面以上约三分之二）处折断，向左侧（南侧）倾斜约30到45度角，筒壁上出现明显的V型裂口，感觉烟囱被拧断一样，倾斜段伴随下部筒壁的坍塌下沉，最后向南倒塌，看到倒塌后腾起尘雾，向下坍塌的过程中没有看到下部烟囱倾斜的现象。中方另一个目击者描述：当时黑云压顶大雨点开始落下，接着听到轰隆一声巨雷响，同时看到#2烟囱上部和下部有白雾冒出，只见中部往下沉下去。从下雨打雷、烟囱倒塌大约2分钟，烟囱倒塌的声音不大。图1烟囱坍塌现场照片（北侧）2BALCO电厂烟囱倒塌原因的初步分析该电厂同时在建1#、2#两座完全相同的钢筋混凝土套筒烟囱，2#烟囱倒塌而1#烟囱完好，我们只能从两

6、个烟囱的差异来分析。目前，有关专家关于倒塌原因的疑点集中在：瞬时阵风作用、雷电击中钢筋或电焊用气瓶产生的爆炸、施工质量差、地基基础、材料品质、旳囱洞口和其他关键部位的配筋不足等。1ft图2还原事故现场倒塌烟囱残骸分布示意图2.1地基基础的影响BALCO电厂二期工程中,1#烟囱采用天然地基，基础外直径31米，基础埋深一14.2米,地基持力层为中风化基岩；工程结顶后半年内基础沉降观测数据表明绝对沉降35mm左右,差异沉降很小。2#烟囱地基处理采用混凝土灌注桩，桩直径1米，数量167根，基础外直径44米，基础埋深6.2米，零米处筒壁外直径25米，壁厚600mm。烟囱坍塌以后，清理出完整的烟囱基础，测

7、量基础底板四周的沉降显示，烟囱坍塌方向基础底板两侧的沉降差异仅4-5mm。说明烟囱坍塌不可能是地基失效或基础破坏而引起。2.2烟囱薄弱部位强度有专家提出：是否烟道入口烟囱薄弱部位强度不足引起烟囱倒塌？烟囱坍塌方向的残渣堆积高度约10-12m，长度约80m，滑模平台钢结构坠落在烟囱基础旁边20-30m。说明烟囱不可能是从基础地面或烟囱烟道入口薄弱部位破坏而倒塌的，否则烟囱倒塌的残渣物和滑模平台钢结构会散落到200m以外。23结构设计安全度根据业主提供的烟囱施工图，山东电力工程咨询院采用中国烟囱设计规范（GB50051-2002）及烟囱规范组编制的烟囱设计软件（2009版）在下述假定的条件下，对该

8、烟囱混凝土筒身承载能力进行复核，并对该烟囱的设计与国内规范要求进行了对比。图3滑模系统操作平台坠落在烟囱东南侧20m-30m之间设计风速39m/s（在10米高处3秒钟平均风速）（合同数据），时距3秒钟平均风速换算成10分钟平均风速，换算系数：1.406。根据建筑结构荷载规范折算成50年一遇基本风压：0.48kN/m2；100年一遇基本风压：0.576kN/m2。根据Zone-llasperIS-1893latestversion，地震加速度0.10g，对应中国规范规定的地震烈度为7度。外筒采用C30混凝土，fc=14.3MPa钢筋采用二级钢HRB335,fy=300MPa。进入烟囱排烟筒的烟气

9、温度为120.59C（原设计工艺资料），通过内筒保温层传递到钢制排烟筒外侧表面的温度为50Co因为本烟囱是由印度公司完全按照印度公司企业标准设计的，本次核算考虑中和印度标准的差异。只能在以下假定条件下，考虑了四种烟囱的荷载工况，中国规范对烟囱钢筋混凝土外筒的承载能力进行对比核算。烟囱的四种荷载工况：1）外筒施工到顶，提升装置未拆除期间出现百年一遇的大风；2）外筒施工到顶，提升装置已拆除，内筒未安装，出现百年一遇的大风；3）正常烟囱运行期间有百年一遇的大风或者地震；4）外筒施工到236m，提升装置未拆除期间出现百年一遇的大风。四个假定条件：1）假定烟囱施工洞口上口标高与烟道口底标高相等，即假设施

10、工洞口上口标高7.525m。2）在四种工况中烟囱考虑了如下环境温度条件：冬季10C，夏季49C。3）对Fe500钢筋进行等强度代换，换为中国的HRB335钢筋。4）假定顶部提升装置的垂直荷载为850kN（EPC技术人员提供），顶部提升装置遭遇大风时的附加水平风荷载为150kN。表1烟囱外形尺寸表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图4烟囱混凝土外筒身现场照片分析计算结果显示：横向风振的组合工况在底部的弯矩小于正常风荷载组合工况的50%,在底部的剪力约为正常风荷载组合工况的32%。显然从烟囱结构整体分析，横向风振的效应不起控制作用。正常风荷载组合工况下，混凝土强度均满足烟囱设计软件所规定的允许混凝土设计强度。在

12、风荷载及温度共同作用下，烟囱设计软件计算的钢筋配筋率竖向钢筋总配筋率均满足按等强度代换的实配钢筋配筋率。计算结果表明：该烟囱筒身结构在设计原则设定的荷载、材料和设计工况条件下有足够的安全度，是不可能坍塌或倒塌的。2.4雷击可能性也有专家认为：雷击可能造成烟囱上部筒壁混凝土局部破坏，在雷暴强烈下沉气流、阵风及横向风切变影响的综合作用下，受烟囱筒壁弹性效应影响，于筒体上部约20米处高折断倾斜，倾斜的筒体造成烟囱偏心受压而失稳，筒壁下部混凝土受到上部混凝土筒壁及施工机具的重力冲击压坏并连续破坏塌落，烟囱根部受到高处坠落混凝土的冲击和挤压破坏，最终引起连锁坍塌。现场也发现有混凝土与钢筋剥离的残渣，可能

13、是雷击的一个旁证。但是，残渣中没有发现明显被雷击烧伤的痕迹。同时，按照印度的临时避雷措施标准采用的避雷措施不足以应付如此大的雷电强度，最近对2号烟囱避雷接地电阻率试验中电阻检测值为1.85欧姆，符合设计要求。2.5瞬时阵风的风振效应不少专家认为：电厂2号烟囱在恶劣的暴风雨条件下突然坍塌，主要原因是强烈的风振效应和烟囱筒壁环向不均匀风荷载，处于施工阶段的烟囱顶部混凝土强度不可能达到28天龄期70%的强度，印度GDCL编制有滑模施工方案规定每12小时计划施工高度为1米1.5米，有几天滑模施工速度曾达到一天2.6m。瞬时阵风作用造成滑模平台晃动，而且支护模板的环向或竖向刚度不足，最终造成顶部结构极限

14、承载力丧失。顶部坍塌的落体冲撞下部结构引起筒身整体连续坍塌破坏。表2烟囱顶部混凝土养护龄期及其强度高度（m）浇筑日期养护时间（d）混凝土强度（）混凝土弹性模量（）247.52009.09.230002422009.09.2035043.82382009.09.1677067.62242009.09.09149187.12197.32009.08.2528100100印度政府在事故出现后，委托三个技术专家咨询组对该烟囱倒坍塌的原因进行调查分析，目前还没有最终结论。但是，在多方智慧的协同下，事故处理已经基本平息，工程已纟恢复建设。2#烟囱已移位重新修建。3高烟囱结构设计标准和构造要求的比较钢筋混凝

15、土高烟囱筒壁强度设计的力学模型、物理模型、计算分析方法在国内外基本上没有多大区别，地震作用和风荷载不同国家有不同的表达方式，但在地震作用和风荷载取值相同地情况下，筒壁强度除了一部分区段控制断面以外，基本上都是构造配筋。不同国家和不同企业设计标准区别主要反映在工程设计经验，体现在断面假定、烟道洞口加强、筒身的壁厚和坡度、钢筋最小配率筋等构造规定。这些经验各有道理和实践基础，不能轻易否定或肯定，只能相互参考和借鉴。表3270m高BALCO烟囱实际设计与这个DL5022-93部分规定的对比序号内容烟囱实际设计（印度标准）DL5022-93（中国标准）1施工安3口加强4筋士施工安装口左右两侧按构造要求

16、设置附加钢筋，长度超出洞口边缘2m以暗柱方式，按构造要求设置附加钢筋。竖向钢筋每段超过洞口尺寸不小于洞口宽度的1/2（即3.75m）钢施工安装口上下两侧附加钢筋，长度超出洞口边缘2m以暗梁方式，按构造要求设置附加钢筋。由于施工洞口角度已超过30。，且宽度为7.5m，故洞口上下侧应有50%的环向钢筋通长，其余50%的环向补强钢筋超过洞口尺寸不小于2.724m2烟道洞口加强钢筋烟道洞口左右两侧附加钢筋，长度超出洞口边缘2m以暗柱方式，按构造要求设置附加钢筋。竖向钢筋每段超过洞口尺寸不小于洞口宽度的1/2（即2.31m）烟道洞口上下两侧附加钢筋，长度超出洞口边缘2m以暗梁方式，按构造要求设置附加钢筋

17、。烟道洞口上下两侧附加钢筋，长度超出洞口边缘2.7m3钢筋混凝土筒身的壁厚根部600mm,顶部300mm。从基础底板-2.235m到12.15m厚度为600mm。从245.00m到根部800-900mm,顶部不小于250mm。从+0.30m到270.00m。从+0.30米一下为烟囱基础结构。从+0.30m到基础底板的壁271.00m厚度为300mm厚为1000mm-1800mm。4筒身竖向坡度筒身从-2.235m到205.00m。竖向坡度为0.029-0.03。205m以上坡度为0.00。筒身从+0.30m到烟道下口。竖向坡度为0.04-0.05。其余坡度为0.02-0.015。5钢筋混凝土外

18、筒采用的材料混凝土：M30；钢筋：Fe500，fy=450MPa混凝土：C30，fc=14.3MPa钢筋采用HRB335,fy=300MPa6钢筋配率筋外侧竖向钢筋配筋率0-65m为0.172%-0.256%；65-271m为0.256%0.384%0-270m配筋由计算确定，但应0.25%内侧竖向钢筋配筋率0-25m为0.164%-0.399%；25-271m为0.21%-0.384%0-270m配筋由计算确定，但应0.25%筒身0-275m外侧环向钢筋配筋率0.113%-0.15%应0.2%筒身0-275m内侧环向钢筋配筋率0.113%0.15%应0.1%4烟囱结构设计的几点启示41结构构

19、造设计的优化更重要至U目前，我国建造的高烟囱数量众多、安全可靠，出现倒塌的事很少见。说明中国标准的设计、构造规定还比较成熟可靠，也有丰富的施工经验。高烟囱工程设计中，由于地震和瞬时阵风作用还不能做到真实的模拟分析，目前我国动力烟囱连风动力和时程分析都没有要求计算。烟囱结构设计优化关键是有些边界条件不能确切界定，例如:瞬时阵风、筒壁局部稳定条件、烟道洞口的局部强度等的定量分析在边界条件约束控制方面不能精确设定，结构强度优化设计往往出现一下漏洞和缺陷。所以结构设计要特别注意结构构造的细节，例如:BALCO烟囱钢筋混凝土筒身实际设计的壁厚从基础底板-2.235m到12.15m厚度为600mm,我认为

20、本烟囱下部筒壁厚度600mm已经比较薄了，地面以下不加厚是一个缺陷；烟道洞口的加强钢筋是附加帮扎在筒身钢筋网上，不如在洞口四周加暗梁暗柱加固好。42烟囱滑模工艺施工的问题我国2000年以前采用滑模工艺施工钢筋混凝土烟囱比较多，当滑模速度达到每天2.0m以上，特别是气温较低时，模板会带动混凝土出现水平裂缝，降低了筒身结构刚度和强度。实践说明翻转模板工艺比滑模工艺更容易保证施工质量，所以国内现在混凝土烟囱施工很少采用滑模工艺。43高烟囱防雷设计标准应予重视目前国内大型燃煤机组一般配置180-240m咼烟囱，雷雨云层一般出现在150-300m。有专家提出，高耸建筑物可能受到闪电的侧击或斜击，高烟囱防雷设计时还应该考虑对侧击雷的防护，沿烟囱筒身一定距离间隔设置环形接地带。所以高烟囱在建造过程中临时防雷接地布置和长期运行期间防雷接地都要谨慎考虑可靠性，应该有专门的高烟囱防雷设计标准。在高烟囱施工过程中，应注意雷电天气预报，提高雷电天气预测和监控的准确性，并及时通知现场中止工