拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

劉雙鳳

摘 要：鋼煙囪結(jié)構(gòu)形式根據(jù)高度和直徑之比確定，對(duì)于高徑比超過(guò)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(duì)于高度較高，管徑相對(duì)較細(xì)的單管鋼煙囪，單純采用二者之一時(shí)存在一定的局限性，高徑比較大的鋼煙囪采用純拉索結(jié)構(gòu)存在難以控制煙囪頂水平位移和煙囪整體的穩(wěn)定，而塔架式結(jié)構(gòu)存在一定的塔架高寬比限制，即便調(diào)整好塔架的高寬比滿足煙囪的計(jì)算后，塔架的用鋼量也隨之增加，經(jīng)濟(jì)性也不夠理想。三種類型的煙囪各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體情況加以選擇。本文以某鋼煙囪項(xiàng)目為背景，利用MIDAS軟件建立了靜力計(jì)算模型，分析拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)受力及位移結(jié)果，為同類設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MIDAS;拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪;結(jié)構(gòu)受力

在拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪中，底部鋼結(jié)構(gòu)塔架與上部鋼絞線拉索共同作為受力結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)變形。底部塔架以上鋼煙囪和拉索共同受力，上部拉索分擔(dān)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(nèi)，鋼筒體和塔架變形協(xié)調(diào)，位移同步，鋼塔架作為豎向桁架，主要分擔(dān)一部分由風(fēng)荷載作用下鋼煙囪產(chǎn)生的水平力和傾覆彎矩，使之轉(zhuǎn)化為塔架的軸力。

1 分析參數(shù)

本文利用MIDAS大型有限元分析軟件，對(duì)一直徑2.8m，高度65米的鋼煙囪建立了整體模型，設(shè)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(shè)置為索單元，僅承受拉力，選取以下計(jì)算工況進(jìn)行受力分析;同時(shí)取純拉索煙囪和純塔架煙囪以及自立式煙囪的獨(dú)立模型，比較分析了其它模型和目標(biāo)模型在受力和位移上的區(qū)別。

2 分析結(jié)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(duì)其水平側(cè)移影響較小，溫度荷載作用下考慮高溫下鋼材強(qiáng)度會(huì)降低，因此強(qiáng)度允許值有一定折減，但是對(duì)于這幾種結(jié)構(gòu)類型的煙囪，位移和強(qiáng)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(jié)構(gòu)類型的結(jié)果比較。對(duì)于鋼煙囪而言，由于自重輕，因此地震荷載對(duì)鋼煙囪水平側(cè)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(jì)算結(jié)果：

從上表可以得出，影響鋼煙囪水平位移的最大因素是風(fēng)荷載，其余工況荷載作用下的水平位移很小。目標(biāo)模型在風(fēng)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(guī)范要求，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)支撐類型的鋼煙囪水平位移時(shí)，可僅考慮風(fēng)荷載作用下的位移結(jié)果比較。

為了方便對(duì)比結(jié)果，其余模型僅考慮支撐條件的不同，構(gòu)件截面和材質(zhì)以及構(gòu)件設(shè)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(jiǎn)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(shè)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(fēng)荷載作用下的計(jì)算位移結(jié)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(gè)結(jié)構(gòu)“細(xì)長(zhǎng)”，高徑比較大，因此水平荷載作用下其位移最大。對(duì)于純塔架模型與純拉索模型來(lái)說(shuō)，水平位移接近，前者依靠塔架提供側(cè)向支撐，塔架作為豎向桁架，抗側(cè)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(fā)揮，這種輕柔結(jié)構(gòu)大大節(jié)約了煙囪的造價(jià)。對(duì)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(jià)介于二者之間。

在同一個(gè)基本荷載組合工況（1.2恒+1.4Wx）下，煙囪筒壁應(yīng)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(cè)力結(jié)構(gòu)分擔(dān)其受力，故而底部應(yīng)力最大。其余三種模型筒壁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果接近，說(shuō)明不同支撐條件作用下，支撐結(jié)構(gòu)能否有效抵抗水平力產(chǎn)生的彎矩并將其轉(zhuǎn)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(guò)上述對(duì)比，對(duì)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(cè)移更小，煙囪用鋼量相比純塔架式要少，造價(jià)經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)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(shí)，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(chǔ)的直徑也增大，煙囪用鋼量也大，而對(duì)于純拉索式煙囪，使用高度不宜過(guò)高，否則要多加幾層拉索以控制煙囪頂部位移，進(jìn)而增加了拉索基礎(chǔ)的數(shù)量，對(duì)于純塔架煙囪，有著高寬比的要求，一般不大于8，塔架過(guò)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(chǔ)的大小。所以對(duì)于高徑比較高，又對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求高的鋼煙囪進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，拉索-塔架組合式單筒鋼煙囪是個(gè)不錯(cuò)的選擇方案。

參考文獻(xiàn)

[1]煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范GB50051-2013? 2013.05 .01

[2]煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范GB50051-2013? 2013.05 .01

[3]中國(guó)冶金建設(shè)集團(tuán)包頭鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院 煙囪工程手冊(cè) 中國(guó)計(jì)劃出版社2004.07