【摘 要】基于ABAQUS有限元軟件對(duì)某電廠煙囪進(jìn)行模擬計(jì)算，得出不同工況下內(nèi)力結(jié)果，分析該煙囪的極限承載能力及正常使用極限狀態(tài)下的裂縫情況；同時(shí)可對(duì)其它類似工程提供計(jì)算參考。

【關(guān)鍵詞】ABAQUS，有限元，煙囪，承載能力

1、工程概況

該電廠煙囪為套筒式煙囪，高度210m。外筒身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外筒底部外半徑為10.5m，壁厚700mm，頂部外半徑為5.2 m，壁厚250mm；排煙內(nèi)筒采用耐酸磚砌體結(jié)構(gòu)，支撐在每隔25m設(shè)置的鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，內(nèi)筒由230mm厚耐酸砌塊砌體+60mm厚玻璃棉氈隔熱層組成。

基本風(fēng)壓：0.45kN/m2（100年一遇）；地震烈度：6度（0.05g），地震分組為第二組。

2、計(jì)算模型

本次計(jì)算采用國(guó)際通用的有限元計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行建模計(jì)算，整體計(jì)算模型如圖1所示。

套筒式鋼筋混凝土外筒有限元建模計(jì)算時(shí)，參照《煙囪工程手冊(cè)》及《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50051-2002）執(zhí)行：

（1）鋼筋混凝土外筒應(yīng)進(jìn)行水平截面承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和水平裂縫寬度驗(yàn)算；

（2）對(duì)套筒式煙囪，計(jì)算中不考慮溫度應(yīng)力及溫度對(duì)材料強(qiáng)度的影響；

（3）磚砌排煙筒、封閉砂漿、保溫層、斜撐式支承平臺(tái)、積灰平臺(tái)及其它附屬設(shè)施產(chǎn)生的恒載及活載作為附加荷重作用在外筒上，作用點(diǎn)為支撐點(diǎn)位置；

（4）6、7度地區(qū)不考慮豎向地震作用。

由于煙囪腐蝕厚度較小，基本不影響原結(jié)構(gòu)承載能力，故按照原竣工圖幾何模型參數(shù)建模，采用線彈性本構(gòu)模型。計(jì)算模型材料參數(shù)取值見表1。本次計(jì)算分析直接對(duì)煙囪外筒底部施加固端約束，即約束煙囪外筒底面節(jié)點(diǎn)的所有自由度。

3、荷載及荷載組合

3.1 結(jié)構(gòu)荷載

（1） 自重荷載：軟件對(duì)各構(gòu)件賦予材料自身重度等參數(shù)，由程序計(jì)算結(jié)構(gòu)自重的作用。

（2） 風(fēng)荷載[1，2]：在ABAQUS模型中，風(fēng)荷載作為面荷載施加，煙囪表面各點(diǎn)風(fēng)荷載的大小與高度z及與風(fēng)向的夾角 有關(guān)，且始終沿表面法線作用。風(fēng)荷載計(jì)算參照《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50051-2002）和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）的原則執(zhí)行。

（3） 地震作用[1～3]：對(duì)于6、7度地震區(qū)，可不考慮豎向地震作用；高度不超過150m時(shí)，可考慮前3個(gè)振型的組合，高度超過150m時(shí)宜按前3～5個(gè)振型的組合，高度超過210m時(shí)宜按前5～7個(gè)振型的組合。本工程所在地抗震設(shè)防烈度為6度，煙囪高度210m，因此在計(jì)算水平地震作用時(shí)，采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，考慮前5階振型。

4）附加彎矩[1]：結(jié)構(gòu)由于風(fēng)荷載、日照和基礎(chǔ)傾斜等原因，筒身重力荷載對(duì)筒壁任意水平截面產(chǎn)生附加彎矩Mai，該附加彎矩可直接根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50051-2002）規(guī)定計(jì)算。

3.2 荷載組合

對(duì)于結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)，按《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50051-2002）有關(guān)章節(jié)的規(guī)定及最不利荷載組合要求，共考慮以下五種荷載組合工況：

工況一： 1.0×恒載+1.4×風(fēng)荷載+0.7×1.4×平臺(tái)活載+1.0×附加彎矩；

工況二： 1.2×恒載+1.4×風(fēng)荷載+0.7×1.4×平臺(tái)活載+1.0×附加彎矩；

工況三： 1.35×恒載+0.6×1.4×風(fēng)荷載+0.7×1.4×平臺(tái)活載+1.0×附加彎矩；

工況四： 1.0×重力荷載代表值+0.20×1.4×風(fēng)荷載+1.3×水平地震力+1.0×附加彎矩；

工況五： 1.2×重力荷載代表值+0.20×1.4×風(fēng)荷載+1.3×水平地震力+1.0×附加彎矩。

對(duì)于結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)，按《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50051-2002）有關(guān)章節(jié)規(guī)定的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計(jì)算，即：

工況六： 1.0×恒載+1.0×風(fēng)荷載+1.0×附加彎矩。

4.3、結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

根據(jù)以上的計(jì)算條件，分別選取煙囪沿高度方向豎向和環(huán)向截面提取內(nèi)力，根據(jù)各個(gè)工況下內(nèi)力值，選取最不利內(nèi)力進(jìn)行承載力計(jì)算。

按照《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50051-2002）中關(guān)于最小配筋率的規(guī)定計(jì)算截面配筋。經(jīng)與業(yè)主方交流，對(duì)鋼筋混凝土外筒內(nèi)壁配筋情況進(jìn)行了檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果表明實(shí)測(cè)配筋情況滿足竣工圖配筋情況，故本工程將外側(cè)配筋設(shè)計(jì)值作為已知值進(jìn)行內(nèi)側(cè)配筋計(jì)算，并與原設(shè)計(jì)配筋面積對(duì)比。煙囪外筒壁內(nèi)側(cè)環(huán)向和豎向鋼筋的計(jì)算面積見表2。（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1）

4.2 正常使用極限狀態(tài)使用

根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50051 -2002）規(guī)定，正常使用極限狀態(tài)下只對(duì)其水平裂縫寬度驗(yàn)算，水平裂縫寬度的計(jì)算結(jié)果見表2：水平裂縫寬度驗(yàn)算。根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50051 -2002）關(guān)于裂縫控制要求的規(guī)定，煙囪外筒頂部20m范圍內(nèi)最大裂縫寬度限值為0.15mm，其余部位裂縫寬度限值為0.30mm。由裂縫計(jì)算結(jié)果可以看出，按照竣工圖配筋計(jì)算的水平裂縫寬度在高度范圍內(nèi)均滿足《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

5、結(jié)論

由計(jì)算結(jié)果可以看出：該電廠煙囪結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)下其環(huán)向和豎向配筋均滿足計(jì)算要求；結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)下其水平裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

同時(shí)說明ABAQUS有限元分析軟件可應(yīng)用在煙囪結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)核中，且本次計(jì)算可為其它類似工程提供計(jì)算參考，對(duì)于其他特征結(jié)構(gòu)（諸如高聳電視塔、水塔等）亦可采取類似計(jì)算方式進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。

參考文獻(xiàn)：

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