拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪結構設計探討

劉雙鳳

摘 要：鋼煙囪結構形式根據高度和直徑之比確定，對于高徑比超過30的鋼煙囪不適宜采用自立式[1]，宜采取拉索式或塔架式，但是對于高度較高，管徑相對較細的單管鋼煙囪，單純采用二者之一時存在一定的局限性，高徑比較大的鋼煙囪采用純拉索結構存在難以控制煙囪頂水平位移和煙囪整體的穩定，而塔架式結構存在一定的塔架高寬比限制，即便調整好塔架的高寬比滿足煙囪的計算后，塔架的用鋼量也隨之增加，經濟性也不夠理想。三種類型的煙囪各有優缺點，設計時根據具體情況加以選擇。本文以某鋼煙囪項目為背景，利用MIDAS軟件建立了靜力計算模型，分析拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪在風荷載作用下結構受力及位移結果，為同類設計提供參考依據。

關鍵詞：MIDAS;拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪;結構受力

在拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪中，底部鋼結構塔架與上部鋼絞線拉索共同作為受力結構，協調變形。底部塔架以上鋼煙囪和拉索共同受力，上部拉索分擔一部分水平力，控制煙囪頂部的水平位移，塔架以上鋼筒體受彎和拉索受拉組合受力，而塔架高度范圍內，鋼筒體和塔架變形協調，位移同步，鋼塔架作為豎向桁架，主要分擔一部分由風荷載作用下鋼煙囪產生的水平力和傾覆彎矩，使之轉化為塔架的軸力。

1 分析參數

本文利用MIDAS大型有限元分析軟件，對一直徑2.8m，高度65米的鋼煙囪建立了整體模型，設置2層拉索和底下局部3層塔架，邊界條件按鉸接連接處理，拉索單元設置為索單元，僅承受拉力，選取以下計算工況進行受力分析;同時取純拉索煙囪和純塔架煙囪以及自立式煙囪的獨立模型，比較分析了其它模型和目標模型在受力和位移上的區別。

2 分析結果

由于鋼煙囪自重較輕，主要受水平荷載影響，豎向荷載及溫度荷載對其水平側移影響較小，溫度荷載作用下考慮高溫下鋼材強度會降低，因此強度允許值有一定折減，但是對于這幾種結構類型的煙囪，位移和強度影響都是差不多的，都是只有筒壁承受高溫，因此不用于不同煙囪結構類型的結果比較。對于鋼煙囪而言，由于自重輕，因此地震荷載對鋼煙囪水平側移的影響也比較小。

取拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪模型在各種荷載工況的水平位移計算結果：

從上表可以得出，影響鋼煙囪水平位移的最大因素是風荷載，其余工況荷載作用下的水平位移很小。目標模型在風荷載作用下的最大水平位移為186mm，小于允許值H/100[2]，位移符合規范要求，對比不同結構支撐類型的鋼煙囪水平位移時，可僅考慮風荷載作用下的位移結果比較。

為了方便對比結果，其余模型僅考慮支撐條件的不同，構件截面和材質以及構件設置的間距均不改變。純拉索鋼煙囪模型相比拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪模型只是簡單的去掉底層的塔架，而純塔架模型則是去掉拉索，將塔架設置到煙囪頂，塔架柱間距以及截面不改變，自立式則是去掉所有支撐條件，各種模型在風荷載作用下的計算位移結果如下表：

由上面表格可以看出，位移最大的是自立式模型，由于其水平剛度較小，整個結構“細長”，高徑比較大，因此水平荷載作用下其位移最大。對于純塔架模型與純拉索模型來說，水平位移接近，前者依靠塔架提供側向支撐，塔架作為豎向桁架，抗側剛度比自立式得到明顯提高，后者模型相比前者較“柔”，依靠幾根拉索就大幅限制了煙囪的水平位移，材料性能得到更好的發揮，這種輕柔結構大大節約了煙囪的造價。對于拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪與純拉索煙囪而言，兩者水平位移差異還是明顯，前者位移比后者小，造價介于二者之間。

在同一個基本荷載組合工況（1.2恒+1.4Wx）下，煙囪筒壁應力比較如下表：

由上表可看出，自立式鋼煙囪由于自身承受水平力引起的傾覆彎矩，沒有抗側力結構分擔其受力，故而底部應力最大。其余三種模型筒壁應力計算結果接近，說明不同支撐條件作用下，支撐結構能否有效抵抗水平力產生的彎矩并將其轉化為桁架的軸力或者拉索的拉力，從而減少筒壁的傾覆彎矩，合理的布置支撐條件使得筒壁受力變小，使之受力合理，“物盡其才”。

通過上述對比，對于不同支撐條件的鋼煙囪，相同塔架柱距的前提下，拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪能夠使煙囪的側移更小，煙囪用鋼量相比純塔架式要少，造價經濟。

3 結語

對鋼煙囪，底部局部塔架與上部拉索共同參與受力。在做單筒鋼煙囪時，自立式鋼煙囪通常需要加大底部直徑[3]以使得頂部位移更小，這樣基礎的直徑也增大，煙囪用鋼量也大，而對于純拉索式煙囪，使用高度不宜過高，否則要多加幾層拉索以控制煙囪頂部位移，進而增加了拉索基礎的數量，對于純塔架煙囪，有著高寬比的要求，一般不大于8，塔架過高的高寬比影響著煙囪頂部位移以及塔架柱底拔力值大小，從而影響基礎的大小。所以對于高徑比較高，又對經濟性要求高的鋼煙囪進行設計時，拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪是個不錯的選擇方案。

參考文獻

[1]煙囪設計規范GB50051-2013? 2013.05 .01

[2]煙囪設計規范GB50051-2013? 2013.05 .01

[3]中國冶金建設集團包頭鋼鐵設計研究總院 煙囪工程手冊 中國計劃出版社2004.07