三管鋼煙囪的風(fēng)荷載計(jì)算及相關(guān)設(shè)計(jì)

王敦科 王 麗

三管鋼煙囪的風(fēng)荷載計(jì)算及相關(guān)設(shè)計(jì)

王敦科 王 麗

根據(jù)工程實(shí)例,介紹了三管煙囪風(fēng)荷載的計(jì)算思路和理論,著重闡述了風(fēng)荷計(jì)算模型的建立和體型系數(shù)的計(jì)算,簡(jiǎn)要陳述了驗(yàn)算橫風(fēng)向風(fēng)振的幾個(gè)公式,最后通過(guò)得出的風(fēng)荷載驗(yàn)算了煙囪位移,確定了煙囪壁厚。

三管煙囪,風(fēng)荷載,位移

1 設(shè)計(jì)概況

某鋼鐵廠設(shè)計(jì)三管排氣煙囪,呈正三角形布置,煙囪直徑2.4m,高 58.5m,見圖 1。該煙囪排放廢氣為常溫,無(wú)腐蝕性。廠址位于城市郊區(qū),基本風(fēng)壓 ω0=0.35 kN/m2。

2 風(fēng)荷載計(jì)算

煙囪荷載主要包括：結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、地震作用、裹冰荷載等,由于廠址位于 6度設(shè)防區(qū),可不進(jìn)行截面抗震驗(yàn)算,風(fēng)荷載計(jì)算是很重要的一項(xiàng),以此來(lái)確定煙囪壁厚和基礎(chǔ)所受的彎矩。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式：

其中,μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);βz為高度 z處的風(fēng)振系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);ω0為基本風(fēng)壓,kN/m2。

βz,μz均與煙囪高度有關(guān),煙囪所受風(fēng)荷載隨高度增加而增加,因此,將煙囪分成 6個(gè)單元,具體模型見圖 2。每個(gè)單元 hi上近似按均布荷載考慮,則各個(gè)單元的風(fēng)振系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)與該單元的高度 Hi有關(guān)

當(dāng)構(gòu)筑物受風(fēng)力作用時(shí),可能發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振,也可能發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振,橫風(fēng)向風(fēng)振都是由不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力形成,其性質(zhì)遠(yuǎn)比順風(fēng)向更為復(fù)雜,包括旋渦脫落、顫振、擾振等。如二者同時(shí)發(fā)生,則應(yīng)考慮其組合后的荷載總效應(yīng)。

其中,SC為橫風(fēng)向荷載效應(yīng);SA為順風(fēng)向荷載效應(yīng)。

2.1 確定體型系數(shù)

GB 50051-2002煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范[1]5.2.3條規(guī)定,當(dāng)排煙筒為兩個(gè)或兩個(gè)以上時(shí),排煙筒的風(fēng)荷載體型系數(shù)應(yīng)由風(fēng)洞試驗(yàn)確定,條文說(shuō)明中介紹了上海東方明珠電視塔的風(fēng)洞試驗(yàn),并根據(jù)各國(guó)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出：三個(gè)排煙筒的整體風(fēng)荷載體型系數(shù),可取：

其中,φ為迎風(fēng)面阻塞率,如圖 3所示,φ=2d/D。本例 d=2.4m,D=6.4+2.4=8.8m,代入式(3),可得 φ=0.545,μs=1.218。

2.2 順風(fēng)向荷載

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2](2006年版)7.4.1條規(guī)定,對(duì)于高度大于 30m且高寬比大于 1.5的房屋和基本自振周期T1＞0.25 s的各種高聳結(jié)構(gòu)以及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu),均應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2](2006年版)附錄E.1.1,高聳結(jié)構(gòu)的自振周期：

其中,H為構(gòu)筑物高度,鋼結(jié)構(gòu)可取高值,所以,取鋼煙囪的自振周期 T1=0.013×58.5=0.76 s＞0.25 s,應(yīng)驗(yàn)算順風(fēng)向風(fēng)振影響。

高度z處的風(fēng)振系數(shù)：

其中,ξ為脈動(dòng)增大系數(shù),與 ω0T21有關(guān),可查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006年版)表 7.4.3;v為脈動(dòng)影響系數(shù),由于結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度較大,B=8.8 m,H/B=6.65,可查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006年版)表 7.4.4-3;φz為振型系數(shù),僅考慮第一振型,可查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006年版)附錄表 F.1.2;μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù),由 Hi查表。計(jì)算結(jié)果見表 1,煙囪順風(fēng)向荷載見圖 4。

表1 煙囪風(fēng)荷計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

2.3 橫風(fēng)向荷載

圓形截面結(jié)構(gòu)可根據(jù)雷諾數(shù)Re的大小進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振校核：

其中,v為計(jì)算所用風(fēng)速,可取臨界風(fēng)速 vcr值;d為結(jié)構(gòu)截面半徑。

表2 煙囪各點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果 m

其中,Ti為結(jié)構(gòu)振型i的自振周期,可取基本自振周期 T1;St為斯托羅哈數(shù),對(duì)圓形截面結(jié)構(gòu)取 0.2。

經(jīng)計(jì)算,vcr=15.8m/s,Re=2.6×106,可知 3×105＜Re＜3.5×106,發(fā)生超臨界范圍的風(fēng)振,可不作處理。

3 位移控制

煙囪在風(fēng)荷載作用下將發(fā)生側(cè)移,為了煙囪的正常使用,必須將位移控制在允許范圍內(nèi)。圖 4中,煙囪的分段分布荷載可轉(zhuǎn)化為分段集中荷載,如圖 5所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)力法原理,煙囪上某一點(diǎn)的位移由所有作用在煙囪上的荷載共同影響產(chǎn)生,Δi=∑Fjδij,δij可根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)(第 2版)》[3]第五節(jié)——柱位移計(jì)算公式計(jì)算。取煙囪壁厚 14mm,EI(三管)=2.93×107kN m2,[Δ]=H/100,煙囪各點(diǎn)處的位移見表 2,可知 Δi＜[Δ],滿足要求。

[1]GB 50051-2002,煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50009-2001,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年版)[S].

[3]《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》編寫組.建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)[M].第 2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.

The w ind load calculation and related design for three chim ney of steel

WANG Dun-ke WANG Li

This article according to the projectexamp le,introduced three chimney of steelwind load computationmentality and the theory,emphatically elaborated thewind load computationmodel estab lishmentand the build coefficient computation,this article stated briefly the checking calculation crosswind windward inspired several formulas,finally through the wind load checking calculation chimney displacement which obtained,has determined the chimney wall thickness.

three chimney of steel,wind load,disp lacement

TU761.2

A

1009-6825(2011)09-0062-02

2010-11-29

王敦科(1981-),男,助理工程師,武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)研究院一所,湖北武漢 430070

王 麗(1981-),女,碩士,工程師,武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)研究院一所,湖北武漢 430070