EN13084-2 自立式混凝土烟囱标准解读

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一、基本定位

EN13084-2 是自立式工业烟囱系列标准中专门处理混凝土烟囱的部分，全称为“Free-standing chimneys—Part 2: Concrete chimneys”。在 CEN/TC297 的标准体系中，它的角色是在 EN13084-1 通用要求的基础上，针对混凝土这一特定材料类型给出补充性的设计与构造规定。

该标准现行版本为 EN13084-2:2007，与 EN13084-1 的 2025 版之间存在版本代差。在 EN13084-1 完成修订后，EN13084-2 的相应更新工作尚在进行中，这一时间差在实际项目中需要留意——使用者不应假定两个部分的技术条款已经完全对齐。

二、适用范围与边界条件

EN13084-2 适用于钢筋混凝土和预制混凝土自立式烟囱的设计与建造。这里的“混凝土烟囱”涵盖两种基本构造形式：现场浇筑的钢筋混凝土烟囱，以及由预制混凝土构件装配而成的烟囱。

标准对“自立”的判定沿用 EN13084-1 的几何判据，一个混凝土烟囱是否需要按照本标准设计，取决于其侧向导向装置间距、自立高度或矩形截面的高宽比是否触发 EN13084-1 中规定的阈值。

与 EN13084-1 一致，连接烟道管不在本标准覆盖范围内。本标准不涉及烟囱内衬的材料和构造——砖砌内衬由 EN13084-4 和 EN13084-5 处理，钢内衬由 EN13084-6 和 EN13084-7 处理。混凝土烟囱与内衬之间的界面关系，在 EN13084-1 的框架下协调。

三、标准具体技术要求

（一）混凝土烟囱的构造类型

标准在技术内容展开之前，首先对混凝土烟囱的构造类型进行了区分，这一区分贯穿后续所有设计条款。

单壁混凝土烟囱是最简单的形式：混凝土筒壁同时承担结构功能和烟气导流功能。这种构造适用于烟气温度较低、腐蚀性较弱的场景，因为混凝土直接暴露于烟气之中。当烟气温度较高或含有冷凝性酸性成分时，单壁构造的耐久性风险显著上升。

带内衬的混凝土烟囱是更常见的形式：混凝土筒壁承担结构功能，内衬承担烟气导流和隔热功能。内衬可以是砖砌的、钢制的或其它材料，其与混凝土筒壁之间通常设有空气夹层或隔热层。这种构造将结构功能与烟气接触功能分离，使混凝土免受烟气侵蚀和热冲击。

带独立内衬的混凝土烟囱则进一步将内衬与混凝土筒壁在结构上分离，内衬独立支承或悬挂于混凝土筒壁内部。这种构造在大型工业烟囱中较为常见，其优势在于内衬的热膨胀和混凝土筒壁的热膨胀可以独立发生，避免因温度差引起的附加应力。标准对不同构造类型的设计验证路径有所不同：单壁烟囱需要同时验算混凝土在烟气温度和化学侵蚀下的性能；带内衬烟囱的混凝土筒壁设计温度通常按内衬隔热性能计算确定；独立内衬烟囱则需要额外验算内衬的支承结构和悬挂系统。

（二）材料要求

2.1 混凝土

标准对混凝土的要求以性能导向为主，而非规定具体的配合比。核心控制指标包括：

强度等级。标准要求混凝土的最低强度等级满足结构设计需要，同时考虑烟囱筒壁的薄壁特征和施工条件。对于预制混凝土构件，脱模、运输和吊装阶段的强度要求也需要纳入考量。

耐久性。这是混凝土烟囱材料要求中最具针对性的部分。烟囱混凝土筒壁可能面临的环境作用包括：烟气渗透导致的碳化、冷凝液渗透引起的化学侵蚀、温差引起的冻融循环、以及外部大气环境的侵蚀。标准要求根据烟囱的运行条件和所处环境，确定相应的耐久性措施，包括保护层厚度、裂缝宽度限值、混凝土密实度等。

保护层厚度。标准给出了混凝土保护层厚度的最低要求，这一要求需要同时满足结构耐久性和防火要求。对于暴露于烟气一侧的混凝土表面，保护层厚度的确定需要考虑烟气温度和腐蚀性。

2.2 钢筋

钢筋的要求涵盖种类、力学性能和锚固构造。标准要求钢筋的选用符合 Eurocode 2 的相关规定，同时针对烟囱结构的特殊性——如环向钢筋的搭接、竖向钢筋的锚固、开孔周围的加强——给出补充规定。

烟囱筒壁中环向钢筋和竖向钢筋的配筋率需要满足最小配筋率要求，以控制裂缝和保证延性。在开孔（如烟气入口、检修门、测量孔）周围，标准要求设置加强钢筋以补偿截面削弱。

2.3 预制混凝土构件

对于预制混凝土烟囱，标准对构件的制作、运输、安装和连接提出了专门要求。预制构件的接头是薄弱环节，其设计需要保证与现浇构件等效的结构连续性和耐久性。接头处的密封和防腐处理需要与烟囱的整体气密性要求相协调。

3.1 设计方法

EN 13084-2 采用极限状态设计法，与 EN 13084-1 和 Eurocode 体系一致。设计验算涵盖承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态验算包括：筒壁在压力和弯矩组合下的承载力、开孔截面的削弱影响、局部稳定（对于薄壁圆筒）、以及基础承载力和倾覆稳定。正常使用极限状态验算主要控制裂缝宽度和变形，裂缝宽度限值根据环境暴露等级和钢筋对腐蚀的敏感性确定。

3.2 荷载与作用

混凝土烟囱承受的荷载与 EN 13084-1 中规定的作用类别一致，但在混凝土结构设计中需要特别关注以下几个方面：

温度作用。这是混凝土烟囱设计中区别于一般混凝土结构的关键荷载。烟气温度通过内衬和隔热层传递到混凝土筒壁，在筒壁厚度方向形成温度梯度，引起温度应力和温度变形。标准要求根据烟气温度、内衬热阻、外部气温和通风条件，计算混凝土筒壁的温度分布。温度梯度引起的弯矩和环向应力需要与其它荷载效应组合。

对于单壁烟囱，烟气温度直接作用于混凝土内表面，温度梯度更为剧烈。对于带内衬烟囱内衬的隔热性能决定了混凝土筒壁的温度水平，标准要求内衬的设计应使混凝土温度不超过材料耐久性所允许的上限。

风荷载。烟囱作为高耸结构，风荷载往往是控制性荷载。标准要求考虑顺风向响应和横风向响应。对于圆形截面的混凝土烟囱，横风向涡激振动在特定风速下可能引起显著的横向振幅，标准要求通过斯特劳哈尔数和斯克拉顿数等参数进行验算。当横风向响应不可忽略时，需要通过增加结构阻尼、改变截面形状或设置抗流装置等措施加以控制。

地震作用。对于地震区的烟囱，标准要求按照 Eurocode 8 的相关规定进行抗震验算。混凝土烟囱的抗震设计需要考虑筒壁的延性、钢筋的锚固和基础的抗倾覆能力。

基础沉降。烟囱基础的不均匀沉降会在筒壁中引起附加应力，标准要求根据地基条件和基础形式评估沉降影响。

3.3 荷载组合

荷载组合遵循 Eurocode 0（EN 1990）的规定。温度作用与风荷载的组合是混凝土烟囱设计中的典型工况——极端风荷载与极端温度同时出现的概率较低，标准允许在组合中采用相应的分项系数调整。

4.1 筒壁厚度

混凝土烟囱筒壁的最小厚度需要同时满足结构承载力、施工可行性和耐久性要求。标准给出了最小厚度的指导值，但实际厚度往往由施工条件（如混凝土浇筑和振捣的空间需求）控制。对于滑模施工的烟囱，筒壁厚度还需要考虑滑模设备的操作空间。筒壁厚度沿高度方向通常呈阶梯式变化或连续渐变，变化率需要控制在合理范围内以避免应力集中。

4.2 开孔

烟囱筒壁上的开孔——烟气入口、检修门、测量孔、排水孔——需要专门设计。开孔削弱了截面，引起应力集中，标准要求：

开孔周围的钢筋加强应按照截面补偿原则配置，加强钢筋的范围应延伸至开孔边缘以外足够距离，以扩散集中应力。开孔边缘的构造应避免尖锐转角，减少应力集中。对于大型开孔，可能需要设置专门的边框或加强环。

烟气入口处的构造尤其关键，因为该区域同时承受烟气冲刷、温度梯度和结构应力。标准要求入口处的内衬延伸至混凝土筒壁内部，形成完整的烟气导流通道，避免烟气直接冲刷混凝土。

4.3 筒壁与内衬的连接

对于带内衬的混凝土烟囱，内衬与混凝土筒壁之间的连接构造需要允许两者之间的相对变形。温度变化时，内衬和混凝土筒壁的热膨胀量不同，如果连接构造约束了这种差异变形将在两者中引起附加应力。

标准给出的解决方案通常包括：设置滑动层或隔离层，允许内衬沿高度方向自由膨胀；采用柔性连接件，在传递水平力的同时允许竖向相对位移；在内衬与混凝土之间设置空气夹层，既提供隔热又允许变形。

4.4 施工缝与后浇带

现浇混凝土烟囱的施工缝位置和构造需要专门设计。水平施工缝是常见的构造形式，其处理需要保证新旧混凝土之间的粘结和抗渗性能。施工缝处的钢筋连续性和保护层厚度需要特别检查。

对于分段施工的烟囱，后浇带或湿接缝的设计需要保证结构的整体性。接缝处的混凝土表面处理、钢筋搭接和浇筑质量控制，是保证接缝性能的关键。

（五）预制混凝土烟囱的特殊要求

预制混凝土烟囱的构件在工厂制作，运至现场装配。这一工艺路径带来了现浇烟囱所没有的设计问题。

构件分节。预制烟囱通常沿高度方向分为若干节段，每节段的长度受运输和吊装能力限制节段划分需要考虑结构受力——节段接头应避开弯矩最大区域，或对接头进行专门加强。接头设计。预制节段之间的接头是结构连续性的关键。常见的接头形式包括：法兰连接、螺栓连接、后张预应力连接和湿接缝连接。标准要求接头能够传递设计荷载，并满足气密性和耐久性要求。接头的密封构造需要适应温度变形和施工偏差。

吊装和安装。预制构件的吊装点设置、吊装过程中的应力状态、以及安装就位后的临时支撑，都需要在设计阶段考虑。预制构件在脱模、运输和吊装阶段的混凝土强度要求，通常高于使用阶段的强度要求。

基础连接。预制烟囱与基础的连接构造需要传递全部上部荷载，同时允许施工偏差的调整地脚螺栓的锚固长度和预埋件的定位精度，对安装质量有直接影响。

（六）验证与质量控制

标准对混凝土烟囱的验证涵盖设计验证、材料验证和施工验证三个层面。

设计验证通过计算和构造检查完成，验证内容包括承载力、裂缝宽度、变形和稳定性。对于复杂几何或特殊荷载工况，可能需要采用有限元分析等补充计算方法。

材料验证通过混凝土试块试验、钢筋拉伸试验和预制构件出厂检验完成。混凝土的强度、抗渗性和耐久性指标需要满足设计要求。

施工验证包括模板检查、钢筋验收、混凝土浇筑过程控制和养护记录。对于滑模施工，还需要控制滑升速度和混凝土出模强度。烟囱筒壁的垂直度偏差需要控制在标准规定的允许范围内。

四、版本状态与实施注意

EN 13084-2:2007 的版本年代较早，与 EN 13084-1:2025 之间存在技术内容的代际差异。在 EN 13084-1 修订后，EN 13084-2 的更新工作尚在进行中。在实际项目中，使用者需要关注以下问题：

EN 13084-1:2025 中新增或修订的条款——如连接烟道管排除、进入系统要求、混合烟气计算方法——在 EN 13084-2 尚未同步更新时，如何适用于混凝土烟囱的设计，需要根据具体条款的性质判断。对于涉及荷载和作用的规定，通常应当遵循最新版的 EN 13084-1；对于涉及混凝土材料特性的规定，则仍以 EN 13084-2:2007 和 Eurocode 2 为依据。

此外，各国在采用 EN 13084-2 时可能附加了国家附录或本国偏差，这些内容在跨国项目中需要逐一核实。德国 DIN 版本、英国 BSI 版本和法国 AFNOR 版本在具体条款上可能存在细微差异，特别是在混凝土保护层厚度、最小配筋率和温度作用取值等方面。