某鋼廠自立式鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

魏 保 敏

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

某鋼廠自立式鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

魏 保 敏

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

以45 m高自立式鋼煙囪為例，詳細(xì)闡述了自立式鋼煙囪的設(shè)計(jì)方法、特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題，并通過軟件編制計(jì)算程序，對(duì)自立式鋼煙囪進(jìn)行計(jì)算、比較，最終確定了其設(shè)計(jì)斷面，對(duì)自立式鋼煙囪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考作用。

自立式，鋼煙囪，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

某鋼廠除塵工程，根據(jù)通風(fēng)專業(yè)要求需設(shè)置煙囪，煙囪高度45 m，直徑4.6 m，最高煙氣溫度40 ℃；基本風(fēng)壓0.35 kN/m2,地面粗糙度為B類，地震設(shè)防烈度6度，地震加速度0.05g，地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 材料選用

鋼煙囪分為塔架式、拉索式、自立式煙囪。根據(jù)工程條件，結(jié)合實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)采用鋼煙囪。鋼煙囪、檢修平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)爬梯的材質(zhì)均采用Q235B，其質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700碳素結(jié)構(gòu)鋼的規(guī)定。

2.2 荷載與作用

1)煙囪的荷載與作用：a.恒載：結(jié)構(gòu)自重、土壓力、拉線的拉力。b.活載：風(fēng)荷載、煙氣溫度作用、檢修荷載、平臺(tái)活荷載、地震作用、地基沉降等。

2)風(fēng)荷載作用。a.本工程的基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2。b.自立式鋼煙囪，當(dāng)其坡度不大于2%時(shí)，應(yīng)根據(jù)雷諾數(shù)的不同情況進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振驗(yàn)算；并應(yīng)符合下列規(guī)定：用于橫風(fēng)向風(fēng)振驗(yàn)算的雷諾數(shù)、臨界風(fēng)速和煙囪頂部風(fēng)速，應(yīng)按《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》的公式計(jì)算。當(dāng)雷諾數(shù)小于3×105，且煙囪頂部風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時(shí)，自立式鋼煙囪可不計(jì)算亞臨界橫風(fēng)向共振荷載。當(dāng)雷諾數(shù)不小于3.5×106，且1.2倍的煙囪頂部風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其共振響應(yīng)。當(dāng)雷諾數(shù)不小于3×105且不大于3.5×106時(shí)，可不計(jì)算橫風(fēng)向共振荷載。在驗(yàn)算橫風(fēng)向共振時(shí)，應(yīng)計(jì)算風(fēng)速小于基本設(shè)計(jì)風(fēng)壓工況下可能發(fā)生的最不利共振響應(yīng)。

3)地震作用。a.抗震設(shè)防烈度為6度和7度時(shí)，可不計(jì)算豎向地震作用；8度和9度時(shí)，應(yīng)計(jì)算豎向地震作用。b.水平地震作用可按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50011建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算。

2.3 計(jì)算要點(diǎn)

1)自立式鋼煙囪的直徑d和對(duì)應(yīng)位置高度h之間的關(guān)系應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度和變形要求，經(jīng)過計(jì)算后確定，并宜滿足h≤30d的要求；否則，應(yīng)采取措施，譬如擴(kuò)大煙囪下部直徑或采取減震措施等。

2)自立式鋼煙囪設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行下列計(jì)算：a.彎矩和軸力作用下，鋼煙囪強(qiáng)度計(jì)算。b.彎矩和軸力作用下，鋼煙囪局部穩(wěn)定性驗(yàn)算。c.彎矩和軸力作用下，鋼煙囪整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。d.地腳螺栓最大拉力計(jì)算。e.鋼煙囪底座基礎(chǔ)局部受壓應(yīng)力計(jì)算。f.煙道入口孔洞應(yīng)力計(jì)算。

3)鋼煙囪的筒壁最小厚度應(yīng)滿足下列要求：a.煙囪高度不大于20 m時(shí)，筒壁最小厚度為4.5+C。b.煙囪高度大于20 m時(shí)，筒壁最小厚度為6+C。其中，C為腐蝕厚度裕度，有隔熱層時(shí)取C=2 mm；無(wú)隔熱層時(shí)取C=3 mm。

4)有隔熱要求時(shí)，鋼煙囪應(yīng)進(jìn)行隔熱層設(shè)置。

5)為避免鋼煙囪出現(xiàn)共振現(xiàn)象，在鋼煙囪上部應(yīng)設(shè)置破風(fēng)圈。

6)鋼煙囪對(duì)防腐要求比較嚴(yán)格，應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。

7)在荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)作用下，鋼煙囪任意高度的水平位移不應(yīng)大于該點(diǎn)高度的1/100。

8)鋼煙囪筒體鋼板相鄰玄帶之間，板與板的對(duì)接L接頭距離應(yīng)相互錯(cuò)開，距離不小于300 mm，不允許十字形交叉焊縫。

9)煙道入口孔洞上、下應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)環(huán)，并在加強(qiáng)環(huán)之間沿?zé)焽柚苋υO(shè)置加勁肋。

10)鋼煙囪亦應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置清掃孔、測(cè)量孔、旋轉(zhuǎn)鋼梯及檢修平臺(tái)等。

3 工程實(shí)例

3.1 計(jì)算程序簡(jiǎn)介

1)設(shè)計(jì)依據(jù)：《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》。

2)本程序中，強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算為煙囪底部數(shù)據(jù)；如需驗(yàn)算其余部位，需自行調(diào)整程序模板。

3)煙囪長(zhǎng)細(xì)比按懸臂構(gòu)件計(jì)算，故長(zhǎng)度系數(shù)取2。

4)鋼煙囪的自振周期計(jì)算對(duì)整個(gè)計(jì)算十分關(guān)鍵，對(duì)常規(guī)的斷面可根據(jù)規(guī)范或結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算，復(fù)雜的情況建議用ANSYS建模對(duì)比。

3.2 計(jì)算實(shí)例

利用編制的計(jì)算程序，對(duì)本工程直徑4.6 m，高度45 m自立式鋼煙囪進(jìn)行反復(fù)計(jì)算、比較，最終確定其設(shè)計(jì)斷面。為了節(jié)約用鋼量，采用變截面的設(shè)計(jì)方法，煙囪下部(高度10 m)筒壁厚度采用12 mm，煙囪上部(高度35 m)筒壁厚度采用10 mm。充分利用了材料的性能，做到既安全又經(jīng)濟(jì)。鋼材材質(zhì)采用Q235B；檢修平臺(tái)寬度1 000 mm，均布恒載1.5 kN/m2，均布活載2.5 kN/m2；煙道入口孔洞寬度2 000 mm，壁厚12 mm；煙囪底部錨栓直徑42 mm，材質(zhì)Q235B。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過程序?qū)Ρ竟こ踢M(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如下：

1)橫向風(fēng)振計(jì)算。

2)豎向地震計(jì)算。

本工程抗震設(shè)防烈度為6度，不計(jì)算豎向地震作用。

3)截面驗(yàn)算。

a.強(qiáng)度計(jì)算。

b.局部穩(wěn)定驗(yàn)算。

c.整體穩(wěn)定驗(yàn)算。

4)煙囪底部錨栓計(jì)算。

螺栓數(shù)量n=24；錨栓直徑42 mm，材質(zhì)Q235B。

5)基礎(chǔ)局部受壓應(yīng)力計(jì)算。

由于σcbt<ωβ1fct，所以滿足要求。

6)煙道入口孔洞應(yīng)力計(jì)算。

7)煙囪頂部位移計(jì)算。

8)材料量統(tǒng)計(jì)。本工程鋼材總量為72 t，螺栓總量為0.38 t。

9)結(jié)果分析。

采用編制的計(jì)算程序?qū)ψ粤⑹戒摕焽杩梢赃M(jìn)行結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，全面考慮，充分利用材料的性能，做到既經(jīng)濟(jì)又合理。利用此程序，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋼材總量比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的鋼材總量能節(jié)約20%左右，充分印證了利用本文編制的程序?qū)ζ溥M(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際和業(yè)主需求，合理選擇鋼煙囪的結(jié)構(gòu)形式。鋼煙囪的設(shè)計(jì)中，一定要注意每個(gè)細(xì)節(jié)，忽視細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)都有可能造成不良后果；相反注重細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，卻能更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)，做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理。本文對(duì)鋼煙囪設(shè)計(jì)能提供一定的幫助和參考，但還需要不斷探索、總結(jié)和完善。

[1] GB 50051—2013,煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50135—2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

Design of self-standing steel chimney of the steel plant

Wei Baomin

(ChinaMetallurgySouthEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Wuhan430223,China)

Taking the 45 m self-standing steel chimney as an example, the paper specifically describes self-standing steel chimney design methods, features and design matters. Through software compiling computation program, it calculates and compares self-standing steel chimney, an finally determines its design section, which has certain guiding role for designing self-standing steel chimney structure.

self-standing style, steel chimney, structural design

1009-6825(2015)28-0038-02

2015-07-23

魏保敏(1978- )，男，高級(jí)工程師

TU391

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