某塔架式鋼煙囪結構設計及經濟比較

中國電力建設工程咨詢有限公司 楊 云

1 電廠煙囪結構形式介紹

電廠中的煙囪有多種形式，根據所采用的材料可分為磚煙囪、鋼筋混凝土煙囪、鋼煙囪。其中，鋼煙囪包括塔架式、自立式和拉索式三種形式。自立式鋼煙囪形式一般用于較低矮的煙囪，比較高大的鋼煙囪可采用塔架式煙囪，鋼煙囪比較細高時可采用拉索式煙囪。設計前應根據建設方的設計要求、現場場地條件、經濟因素等進行合理選型。

塔架式鋼煙囪是由筒身內筒鋼與外支承鋼塔架組成的一種鋼煙囪。塔架式鋼煙囪的水平力可由塔架承受，鋼內筒不承受水平力，從而能夠減小鋼內筒的厚度，這樣可以減輕每節內筒的重量，易于施工提升和頂升。但是塔架是鋼結構形式，構件在工廠加工，數量較多，現場安裝量大。

套筒式鋼煙囪也是比較常用的鋼煙囪形式。外筒采用鋼筋混凝土，鋼內筒懸吊或支承在外筒上，鋼筒體是防腐蝕排煙筒。具有構造合理、構件數量少、材料消耗低、造型簡潔美觀等優點，但缺點是鋼筋混凝土外筒自重較大，抗震性能差。

拉索式鋼煙囪是由鋼筒和斜拉索共同組成結構體系的鋼煙囪。當煙囪高度與直徑之比大于20時，可采用拉索式鋼煙囪。

目前，國內電廠采用鋼煙囪時，比較多數采用的結構形式是鋼筋混凝土套筒式煙囪，也有多個已建的垃圾發電站采用塔架式鋼煙囪，其外形美觀，結構簡潔，成為電廠建設中的一個亮點。寶鋼燒結廠鋼煙囪是我國自行設計、制作與安裝的第一座塔架式雙筒鋼煙囪，煙囪高200m，由兩座內徑6m的筒身、外圍一座塔架組成[1]。在韓國和日本的大參數、高容量電廠也已經采用這種煙囪。在我國垃圾發電站的建設中，一些去工業化設計的煙囪采用封閉的塔架式鋼煙囪，有必要對塔架式鋼煙囪的設計進行詳細的介紹。

2 塔架式鋼煙囪結構設計概述

按照《煙囪設計規范》（GB50051-2013）中10.1.2條規定：鋼塔架及拉索計算可按現行國家標準《高聳結構設計標準》GB50135-2019的有關規定進行[2]。

塔架式鋼煙囪的受力特點是多邊形鋼塔架主要承受外荷載，自立式鋼排煙筒和鋼塔架之間采用滑動連接，不承擔水平風荷載和地震荷載。塔架整體上是豎向桁架，材料性能得到充分發揮。

在設計中主要是考慮以下幾種荷載組合：自重、活載、風荷載和多遇地震荷載。進行塔架式鋼煙囪結構設計主要進行以下幾個方面：荷載作用和荷載組合計算、強度驗算、穩定驗算、基礎計算等。

3 設計實例

3.1 工程概況

某工程為2×135MW的熱電聯產自備機組，兩臺鍋爐共用一座單內筒煙囪。煙囪為脫硫不設GGH濕煙囪，入口煙氣溫度：正常運行（脫硫投入）工作溫度約45℃。鋼內筒等內直徑5m，頂標高180m，內筒采用鈦復合鋼板。

3.2 結構設計基本條件

基本風壓W0=0.60KN/m2（50年一遇），地面粗糙度類型為B類。設計使用年限為50年。抗震設防烈度為7度（0.15g），場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組。抗震設防類別為乙類。

3.3 結構選型

本工程鋼內筒采用自立式鋼內筒，內徑5m，鋼板自上而下厚8～20mm。鋼內筒支承于混凝土底座，同時每30m設一道檢修平臺，鋼塔架平臺與鋼排煙筒連接采用滑道式連接，在垂直方向鋼內筒可自由變位，水平方向可傳遞水平力。塔架在水平向風荷載和地震荷載作用下，類似底部受約束的懸臂梁。因此，塔架的設計總體按照懸臂式空間桁架設計。

本工程鋼內筒等內直徑5m，頂標高180m。塔架采用四邊形，底盤寬度為整個塔高的1/4～1/8，即22.5～45m，取底盤寬度為32.5m。塔架上段坡度沿高度不變化，下段坡度沿高度變化。90m至180m塔架柱坡度i=0，塔架寬10m；0m至90m塔架柱坡度i=0.125，塔架寬10m～32.5m。

3.4 荷載計算

鋼煙囪及塔架設計主要考慮風荷載及地震荷載，地震荷載與風荷載的組合作用。《煙囪設計規范》（GB50051-2013）第5.2.2條規定：計算塔架式鋼煙囪風荷載時，可不計入塔架與排煙筒的相互影響，可分別計算塔架與排煙筒的基本風荷載。故將鋼內筒的風荷載按節點荷載作用在塔架節點上，然后在計算軟件中建立塔架并考慮塔架風荷載。

風荷載是高聳建構筑物的主要側向荷載，且時常超過地震力而成為決定性荷載。瞬時風速可分為平均風速和脈動風速，風對高聳結構的作用也表現為順風向的平均風荷載、順風向的脈動風荷載及脈動風引起的橫風向共振[3]。我國規范采用平均風壓乘以風振系數βz的形式表達順風向的平均風荷載和脈動風荷載，其綜合考慮了結構在風荷載作用下的平均風壓和波動風壓引起的動力效應。

《高聳結構設計標準》4.2.1條規定：垂直作用于高聳結構表面單位面積上的風荷載標準值應按下式計算[4]：

ωk=βzμsμzω0

其中，風振系數βz=1+ξε1ε2。依據ω0T2=1.944查《高聳結構設計標準》表4.2.9-1可得ξ=2，查表4.2.9-2可得ε1（考慮風壓脈動和風壓高度變化的影響系數），查表4.2.9-2可得ε2（考慮振型和結構外形的影響系數）。依據圓形截面，H/d＞25，取風載體形系數μs=0.6。

計算得風振系數βz以及風荷載標準值ωk取值見表1。

表1 風荷載標準值ωk計算表

《煙囪設計規范》5.2.4條規定：對于圓形鋼筋混凝土煙囪和自立式鋼結構煙囪，當其坡度小于或等于2%時，應根據雷諾數的不同情況進行橫風向風振驗算。

本工程雷諾數Re=69000νd==3.19X106，可不計算橫風向共振荷載，但應在構造上采取防振措施。

3.5 地震作用分析

一般情況下，地震作用較相應的風荷載要小，塔頂位移和塔底應力均由風荷載控制，因此在高烈度區比如9度區，塔架式煙囪應用前景更大[3]。根據現行荷載規范，地震組合中考慮風荷載時，風荷載的組合系數為0.2，根據工程實踐經驗低烈度區的塔架可不驗算地震作用。

3.6 結構計算

塔架計算采用MIDAS軟件電算，在鋼塔架的節點上按節點荷載輸入鋼塔架的風荷載及鋼內筒的風荷載。此外，因為電梯筒直徑、壁厚相對較小，為了簡化，可忽略電梯筒剛度，并將作用于電梯筒上的風荷載分段傳到塔架節點上。計算鋼塔架時，除考慮自重荷載、風荷載、地震作用外，還應考慮平臺活荷載7～11KN/m3、施工荷載和檢修荷載。

塔架式鋼煙囪具體的尺寸及其桿件截面按表2進行設計，桿件應力比控制在0.5～0.85。

表2 桿件截面表

3.7 計算結果分析

3.7.1 周期及振型方向

分析結果：主體結構第一階固有頻率T1=1.815S，基本周期適中。T2/T1≈1，結構兩方向剛度較均勻。但周期計算結果與《建筑結構荷載規范》附錄F經驗公式T=(0.007～0.013)H相比較小。設計時應根據分析計算結果重新計算風荷載。

3.7.2 風荷載作用下的結構響應

風荷載作用下的內力云圖（軸力N）如圖1所示。

圖1 風載內力云圖

風荷載作用下的位移見表3。

表3 風荷載作用下位移

從表3可以看出，在風荷載作用下，結構的最大位移和平均位移均小于規范要求的限值1/100。

3.7.3 地震荷載作用下的結構響應

地震荷載作用下的位移見表4。

表4 地震作用下位移

從表4可以看出，在地震荷載標準值作用下，結構的最大位移和平均位移均小于《建筑抗震設計規范》（2016年版）（GB50011-2010）中的彈性層間位移角限制θ＜[θe]=1/250。從風荷載和地震荷載作用下塔架的位移可以看出，塔架結構在地震荷載作用下的位移遠小于風荷載作用下的位移，說明風荷載是高聳結構的決定性荷載。分析結果表明本工程塔架結構的抗震性能較好，在多遇地震作用下，位移均小于規范規定值，未出現明顯的薄弱層。

4 從工程技術方面比較塔架式鋼煙囪與鋼筋混凝土煙囪的優缺點

煙囪結構選型原則要考慮環境保護、安全運行、使用壽命、技術經濟等。煙囪本身的結構設計還要考慮土建原始資料、工藝條件、材料供應、施工技術等因素。

鋼筋混凝土鋼套筒式煙囪由鋼筋混凝土外筒和鋼排煙內筒組成，鋼內筒一般為等直徑自立式或懸掛式，與外筒全程脫開。其優點是：鋼筋混凝土外筒剛度大，整體性好，易于成型；耐腐蝕性、耐火性、耐久性好。其缺點是：構件斷面大、自重較重、抗裂性能差，一般現澆鋼筋混凝土結構施工周期長，施工受外界影響較大，混凝土結構一旦被破壞，修復困難等。

塔架式鋼煙囪的受力特點是多邊形鋼塔架主要承受外荷載，自立式排煙筒與鋼塔架之間采用滑動連接，不承擔水平風荷載和地震荷載。其優點是：施工周期比混凝土建筑施工周期可縮短一半，節能指標高，鋼結構屬環保型綠色建筑體系。鋼構件可以工廠化生產，更易實現工業化、批量化生產，提高勞動生產率。但是鋼結構構件存在防腐、防火、后期維護等問題。

所以，從工程技術方面來說，采用鋼內筒的鋼筋混凝土套筒式煙囪和塔架式鋼煙囪都是可行的，但是各有優缺點。采用鋼內筒的鋼筋混凝土套筒式煙囪斷面和自重較大，施工周期長；塔架式鋼煙囪采用環保型材料，但要注意做好鋼構件的防腐、防火，需定期維護。

5 從經濟造價方面比較塔架式鋼煙囪與鋼筋混凝土煙囪的優缺點

塔架式鋼煙囪的缺點是：鋼結構耗鋼量高，造價高。一般電廠采用混凝土外筒煙囪，而不采用塔架式鋼煙囪的主要原因是經濟造價較高。

本工程煙囪塔架為四邊形塔架，高180m，塔架底盤為32.5×32.5m，頂部為10×10m，除平臺走道板外全部采用鋼管結構承重。塔架鋼結構總重量約2100t，塔架綜合工程造價約1638萬元。

而類似的鋼筋混凝土套筒式煙囪的外筒筒壁混凝土約5900m3，外加檢修平臺等的鋼梁總重約230t，外筒綜合工程造價約1064萬元。

從表5可以看出，塔架式鋼煙囪的塔架造價要比鋼筋混凝土套筒式煙囪的外筒造價高很多，但是塔架式鋼煙囪自重較小，而鋼筋混凝土套筒式煙囪的外筒混凝土自重較大，所以計算煙囪基礎和地基處理費用時，塔架式鋼煙囪基礎要比鋼筋混凝土套筒式煙囪基礎的造價低。

表5 外筒造價比較（7度0.15g，fak=250kPa）

對兩種煙囪的經濟性進行比較時，應該綜合考慮該地區的地震設防烈度、廠址的工程地質條件等外部條件。但總的來說，一般情況下塔架式鋼煙囪的造價是要比同等條件下鋼筋混凝土套筒式煙囪的造價高。

6 結論

塔架式鋼煙囪對于具有較高環境和造型要求的機組來說，是可行的，在高烈度地區具有一定的結構優勢，但造價較高，經濟性較差。在國外的大參數、高容量電廠也已經采用這種煙囪。對于國外工程，鋼結構發展水平較高，人工工資高，工期緊張時，塔架式鋼煙囪有一定的優勢。

目前從我國國情看，鋼筋混凝土套筒式煙囪的應用范圍極為廣泛，并且在今后相當長的時期內，仍將為我國電廠煙囪的主要結構型式。但是隨著我國可持續發展理念的不斷深入，在全面踐行碳達峰碳中重大戰略的建設新征程中，塔架式鋼煙囪的應用范圍也一定會越來越廣泛。