某電廠煙囪的有限元計算

【摘 要】基于ABAQUS有限元軟件對某電廠煙囪進行模擬計算，得出不同工況下內力結果，分析該煙囪的極限承載能力及正常使用極限狀態下的裂縫情況；同時可對其它類似工程提供計算參考。

【關鍵詞】ABAQUS，有限元，煙囪，承載能力

1、工程概況

該電廠煙囪為套筒式煙囪，高度210m。外筒身為鋼筋混凝土結構，外筒底部外半徑為10.5m，壁厚700mm，頂部外半徑為5.2 m，壁厚250mm；排煙內筒采用耐酸磚砌體結構，支撐在每隔25m設置的鋼結構平臺上，內筒由230mm厚耐酸砌塊砌體+60mm厚玻璃棉氈隔熱層組成。

基本風壓：0.45kN/m2（100年一遇）；地震烈度：6度（0.05g），地震分組為第二組。

2、計算模型

本次計算采用國際通用的有限元計算軟件ABAQUS進行建模計算，整體計算模型如圖1所示。

套筒式鋼筋混凝土外筒有限元建模計算時，參照《煙囪工程手冊》及《煙囪設計規范》（GB 50051-2002）執行：

（1）鋼筋混凝土外筒應進行水平截面承載能力極限狀態計算和水平裂縫寬度驗算；

（2）對套筒式煙囪，計算中不考慮溫度應力及溫度對材料強度的影響；

（3）磚砌排煙筒、封閉砂漿、保溫層、斜撐式支承平臺、積灰平臺及其它附屬設施產生的恒載及活載作為附加荷重作用在外筒上，作用點為支撐點位置；

（4）6、7度地區不考慮豎向地震作用。

由于煙囪腐蝕厚度較小，基本不影響原結構承載能力，故按照原竣工圖幾何模型參數建模，采用線彈性本構模型。計算模型材料參數取值見表1。本次計算分析直接對煙囪外筒底部施加固端約束，即約束煙囪外筒底面節點的所有自由度。

3、荷載及荷載組合

3.1 結構荷載

（1） 自重荷載：軟件對各構件賦予材料自身重度等參數，由程序計算結構自重的作用。

（2） 風荷載[1，2]：在ABAQUS模型中，風荷載作為面荷載施加，煙囪表面各點風荷載的大小與高度z及與風向的夾角 有關，且始終沿表面法線作用。風荷載計算參照《煙囪設計規范》（GB50051-2002）和《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）的原則執行。

（3） 地震作用[1～3]：對于6、7度地震區，可不考慮豎向地震作用；高度不超過150m時，可考慮前3個振型的組合，高度超過150m時宜按前3～5個振型的組合，高度超過210m時宜按前5～7個振型的組合。本工程所在地抗震設防烈度為6度，煙囪高度210m，因此在計算水平地震作用時，采用振型分解反應譜法計算，考慮前5階振型。

4）附加彎矩[1]：結構由于風荷載、日照和基礎傾斜等原因，筒身重力荷載對筒壁任意水平截面產生附加彎矩Mai，該附加彎矩可直接根據《煙囪設計規范》（GB 50051-2002）規定計算。

3.2 荷載組合

對于結構承載能力極限狀態，按《煙囪設計規范》（GB 50051-2002）有關章節的規定及最不利荷載組合要求，共考慮以下五種荷載組合工況：

工況一： 1.0×恒載+1.4×風荷載+0.7×1.4×平臺活載+1.0×附加彎矩；

工況二： 1.2×恒載+1.4×風荷載+0.7×1.4×平臺活載+1.0×附加彎矩；

工況三： 1.35×恒載+0.6×1.4×風荷載+0.7×1.4×平臺活載+1.0×附加彎矩；

工況四： 1.0×重力荷載代表值+0.20×1.4×風荷載+1.3×水平地震力+1.0×附加彎矩；

工況五： 1.2×重力荷載代表值+0.20×1.4×風荷載+1.3×水平地震力+1.0×附加彎矩。

對于結構正常使用極限狀態，按《煙囪設計規范》（GB 50051-2002）有關章節規定的荷載標準組合進行計算，即：

工況六： 1.0×恒載+1.0×風荷載+1.0×附加彎矩。

4.3、結構計算

4.1 承載能力極限狀態計算

根據以上的計算條件，分別選取煙囪沿高度方向豎向和環向截面提取內力，根據各個工況下內力值，選取最不利內力進行承載力計算。

按照《煙囪設計規范》（GB50051-2002）中關于最小配筋率的規定計算截面配筋。經與業主方交流，對鋼筋混凝土外筒內壁配筋情況進行了檢測，且檢測結果表明實測配筋情況滿足竣工圖配筋情況，故本工程將外側配筋設計值作為已知值進行內側配筋計算，并與原設計配筋面積對比。煙囪外筒壁內側環向和豎向鋼筋的計算面積見表2。（結構重要性系數γ0=1.1）

4.2 正常使用極限狀態使用

根據《煙囪設計規范》（GB50051 -2002）規定，正常使用極限狀態下只對其水平裂縫寬度驗算，水平裂縫寬度的計算結果見表2：水平裂縫寬度驗算。根據《煙囪設計規范》（GB50051 -2002）關于裂縫控制要求的規定，煙囪外筒頂部20m范圍內最大裂縫寬度限值為0.15mm，其余部位裂縫寬度限值為0.30mm。由裂縫計算結果可以看出，按照竣工圖配筋計算的水平裂縫寬度在高度范圍內均滿足《煙囪設計規范》的要求。

5、結論

由計算結果可以看出：該電廠煙囪結構承載能力極限狀態下其環向和豎向配筋均滿足計算要求；結構正常使用極限狀態下其水平裂縫寬度滿足規范要求。

同時說明ABAQUS有限元分析軟件可應用在煙囪結構計算復核中，且本次計算可為其它類似工程提供計算參考，對于其他特征結構（諸如高聳電視塔、水塔等）亦可采取類似計算方式進行復核驗算。

參考文獻：

[1] GB 50051-2002，煙囪設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2002.

[2] GB 50009-2012，建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3] GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[4] GB 50191-93，構筑物設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，1993.