異形煙囪的整體計算方法研究

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異形煙囪的整體計算方法研究

李文峰（安徽省電力設計院，安徽合肥230601）

煙囪作為火力發電廠內的標識性構筑物，隨著國內煙囪設計技術的發展及后工業化設計進程的加快，越來越多的新建煙囪開始采用非常規的圓形外形，但國內相關規程規范都沒有對異形煙囪給出具體的計算及構造規定。依托實際工程，通過煙囪的整體有限元分析過程，對計算中模型建立、荷載添加、分析求解控制、結果提取等問題進行研究。

異形；懸吊內筒；附加彎矩；幾何非線性

1　工程概況

自上海漕涇電廠所采用的異形煙囪落成之后，隨著后工業化設計進程的快速發展，國內火力發電廠煙囪越來越多的采用異形外筒形式，本文通過對某異形煙囪整體計算過程進行探討，可作為同類煙囪設計的參考。

本依托工程為某2×660WM電廠“8”字形外筒懸吊式內筒多管煙囪，煙囪外筒頂部高度為238.500m，內筒出口高度為240.000m。外筒采用鋼筋混凝土結構，底部60m截面為圓形，頂部約80m為“8”字形截面，中部為過渡截面，其中在13m～20m處有輸煤棧橋穿過煙囪，水平煙道進口開孔底標高為33.000m；內筒為鈦鋼復合板材料，煙氣進口直徑為7.0m，出口直徑6.5m，整體懸掛于外筒上，其外形如圖1。

基本風壓:0.50kN/m2（百年一遇），B類。地震參數：地震設防烈度6度，地震加速度0.05g；多遇地震影響系數最大值αmax為0.04，特征周期0.35s；設計地震分組：第一組；場地類別：Ⅱ類。

2　煙囪整體建模及本構關系

整體模型的建立主要是對結構特性進行描述，即通過建模來真實模擬結構的質量矩陣、剛度矩陣等，模型及本構關系準確與否直接關系到計算結果的可信度。本文借助Midasgen有限元軟件對依托工程進行計算，下文對建模過程及本構關系設置給出探討。

圖1　依托工程立面及剖面簡圖

2.1模型的建立

單元類型選擇：采用有限元對煙囪分析時，較多采用板殼單元和梁單元進行分析。對常規的圓形煙囪，可采用環形漸變截面梁單元進行模擬，但對異形煙囪，采用梁單元無法真實反映煙囪的特性，采用厚板單元能真實的對實際工程進行表述。單元材料及單元特性：對板單元，其單元特性反映為板單元的厚度與材料，并按規范對材料定義阻尼比，根據依托工程情況，煙囪模型材料以84m為分界線，分別采用C40 和C35強度等級的混凝土，筒壁厚度由700mm逐漸遞減為300mm。

圖2　依托工程有限元模型及立面效果

在開孔處及截面突變處，結構的受力比較復雜，容易出現應力集中現象，根據實際需要，在煙囪施工孔、煙道孔等孔洞處及中間漸變段標高區段內，對有限元單元進行細分，以求得更加精確的結果。普通截面有限元劃分尺寸約為1.250m左右，既保證了計算精度，又能與后期風荷載的添加相對應。

2.2本構關系分析

對普通的線彈性分析，本構關系可采用軟件內定的材料特性，但由于煙囪在分析計算時，需要考慮裂縫造成的塑性變形影響，按照《煙囪設計規范》的設定[1]，需要對煙囪筒身混凝土材料進行剛度折減，異形煙囪附加彎矩是根據幾何非線性求解間接計算，折減系數的選取直接影響到結構變形分析，進而決定附加彎矩的計算結果[2]。

煙囪設計規范編制組在規范中對剛度折減系數的規定與截面受力偏心率有關，而對異形煙囪來說，規范中并無規定，其截面偏心率也不易界定，在工程實例分析中，計算考慮采用剛度折減系數的低限值。反映到具體的分析過程，需要在材料定義中，對所選用的C35及C40內置混凝土材料的彈性模量進行修改。

3　荷載工況輸入及求解分析

3.1荷載分類施加

根據煙囪規范規定，對套筒式煙囪，主要的荷載有永久荷載、活荷載、風荷載、吊裝荷載、附加彎矩、地震荷載等。針對本依托工程，內筒采用懸吊式，將內筒重量歸入活荷載范疇，根據煙囪規范規定，本依托工程可以不考慮地震荷載，僅需要滿足抗震構造即可，由風荷載作為水平力控制荷載。本模型主要荷載的輸入方式如下。

3.1.1永久荷載

在煙囪計算中，永久荷載即為結構的自身重量，在模型有限元建立后，模型的質量分布已經確定，僅需要施加負Z向加速度即可。

3.1.2活荷載

活荷載主要是指不同功能各層平臺的活荷載，整體模型未模擬各層平臺，在煙囪的設計中，各層平臺的鋼次梁較多，其受荷作用到筒壁上時分布也較均勻，故在計算中，將各層平臺的荷載總和平均分配至該層平臺所處的外筒有限元節點上。

3.1.3風荷載

異形煙囪的風荷載不同于常規煙囪，對常規圓形煙囪，只需要根據《煙囪設計規范》中的規定分別對順風向和橫風向效應進行分析即可，風荷載可以根據《建筑結構荷載規范》的要求進行計算，其求解較常規。但對于異形煙囪來說，其體型系數沒有資料可依，風振現象也不易計算，按照荷載規范的要求，需要進行風洞試驗。根據風洞試驗成果，可以得出不同風向作用下各標高處的風載值，在荷載施加時，選取荷載較大的方向進行輸入，同標高節點均分輸入[3]。

3.1.4附加彎矩

附加彎矩可以表述為重力在水平荷載引起變形上產生的高階彎矩?！稛焽柙O計規范》中給出的描述是結構因風荷載、日照溫差、基礎傾斜等原因產生側向變形，結構自重或豎向地震作用在水平截面產生的彎矩。附加彎矩在《煙囪設計規范》中有明確的公式可以參照，但規范中的公式僅適用于圓形截面，對異形截面煙囪來說并不適用?！稛焽柙O計規范》中也給出通用的計算公式。

式中：Gj為筒身j質點的重力；uj、ui分別為筒身i、j質點的最終水平位移。

從上式中可以看出，《煙囪設計規范》中給出的通用公式所求附加彎矩為二階彎矩，對高階附加彎矩不予考慮。規范中的公式旨在為手算提供便捷，且高階附加彎矩相對二階彎矩一般較小，但通過有線元的分析可以輕松求得較準確的高階附加彎矩值，結果更加逼近真實值[4]。

從附加彎矩的定義看出，附加彎矩并非一個確定的荷載，在有限元分析過程中，是借助于幾何非線性分析來求得其作用效應。而其初始水平位移荷載則需要施加到結構上，即風荷載、日照溫差、基礎傾斜位移等。

3.2幾何非線性求解控制

非線性分析時，需要在計算前打開所進行的非線性分析類型，本文的計算，不考慮材料非線性和狀態非線性問題，僅討論幾何非線性，在分析控制中打開幾何非線性開關。非線性各種求解是一個迭代計算的過程，為使方程求解收斂更加容易，將荷載分為多個荷載步，在每個荷載步內進行多次迭代，控制收斂容差，待方程的解滿足收斂容差后，單一荷載步的求解即完成，逐步求出最終解。求解過程中涉及到荷載步的數量、子步迭代次數控制、收斂容差控制三個方面內容，經過多次試算，荷載步控制為4步，子步迭代次數控制為50次以內，收斂容差采用位移控制0.02。經過分析，其計算過程時長相對合理，結果也較可靠。

4　計算結果

有限元分析能夠得出全面的分析數據，從結果中，可以較直觀的查看筒壁的內力分布規律及應力集中現象，另外，也可以得到結構位移的準確數值，以查對是否滿足相關規范規定。有限元分析結果最終旨在進行具體的工程設計，煙囪具體設計主要涉及到基礎、外筒、內筒等方面，其設計內容決定整體計算分析所需提取的結果類別。

從整體計算結果來看，在進煙孔及穿棧橋孔處，外筒上存在一定的應力集中現象，設計中應對相關處進行加強，外筒壁厚相對整體截面尺寸來說尺寸較小，在受力復雜處及結構薄弱處，宜設置環梁來加強整體截面的剛性。煙囪筒身在頂部區段出現受拉區，為滿足正常使用極限狀態要求，頂部配筋相對下部可采用小直徑小間距的配置方式。在懸吊平臺和內筒吊裝標高下方，筒壁內力相對復雜，參照以往懸吊內筒的設計經驗，在懸吊平臺處設置大環梁，從構造上可以使內筒荷載更加均布，利于外筒結構受力。

基礎設計中，需要煙囪底部反力值，根據此值可直接利用《煙囪設計規范》中基礎的計算公式進行地基及基礎復核，值得提出的是，對懸吊式煙囪，采用環板基礎要比圓板基礎節省一定的工程量。

外筒設計中，由于國內規范并無相關的異形截面設計方式，根據相關文獻，一般采用兩種計算方法，一種是直接取截面延米單元體，視作壓彎或拉彎構件設計；另一種是根據國外煙囪設計規范，編制異形截面配筋程序進行設計。計算中建議按兩種方式統一復核，取用較大值作為設計依據[5][6]。

內筒設計中，依據國內設計規范，懸吊式內筒承受內筒自身荷載和外筒傳遞的協調位移荷載，需要根據計算分析結果提取相應止晃點位置的外筒位移，將內筒作為桿系結構進行分析。值得提出的是，用作內筒計算的外筒位移值，不能直接采用外筒承載力計算所選取的材料剛度折減系數，而需要一定程度的加大，以使內筒受荷更加真實。

5　結語

在沒有相關規范可依的情況下，依托工程的順利結頂，標志著本項目異形煙囪計算分析的可信度，本文中的論述可以作為后期類似工程的參考。

①基于《煙囪設計規范》中的設計原則，使用有限元工具對異形高聳煙囪整體分析從計算方法上是可行的。

②異形煙囪的分析，重點在于荷載的施加及附加彎矩的求解。對異形煙囪，其風荷載作用值需要進行風洞試驗得出，附加彎矩需要通過幾何非線性分析來實現，經過與線性分析對比，依托工程附加彎矩值約占基底總彎矩的15%左右，附加彎矩的求解直接關系到煙囪的結構安全。

③具體到煙囪各部位的設計，需要提取整體計算分析的相關結果，對外筒設計而言，建議使用整體截面計算與局部單元計算兩種方法校核；對內筒設計而言，其止晃標高處相應位移需要采取不同于外筒承載力計算的折減系數。

[1]GB 50051-2012，煙囪設計規范[S].

[2]牛春良.煙囪設計手冊[M].北京：中國計劃出版社，2004.

[3]湯卓，王雪，束磊，呂令毅.210m高異形煙囪橫風向動力響應研究[J].建筑結構，2010，40（2）：100-102.

[4]張玉峰，江文明，李超，張閃林.煙囪附加彎矩的精確計算方法[J].電力建設，2011，32（1）：72-75.

[5]GB50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[6]鄧志寧，黃東陽.高聳異型鋼筋混凝土煙囪結構分析[J].低溫建筑技術，2009（5）：63-65.

TU311.4

A

1007-7359(2016)03-0075-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.025

李文峰（1987-），男，安徽合肥人，畢業于武漢大學，碩士；工程師，主要從事電廠結構設計工作。