李文峰　（安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽　合肥　230601）

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異形煙囪的整體計(jì)算方法研究

李文峰（安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽合肥230601）

煙囪作為火力發(fā)電廠內(nèi)的標(biāo)識(shí)性構(gòu)筑物，隨著國內(nèi)煙囪設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展及后工業(yè)化設(shè)計(jì)進(jìn)程的加快，越來越多的新建煙囪開始采用非常規(guī)的圓形外形，但國內(nèi)相關(guān)規(guī)程規(guī)范都沒有對異形煙囪給出具體的計(jì)算及構(gòu)造規(guī)定。依托實(shí)際工程，通過煙囪的整體有限元分析過程，對計(jì)算中模型建立、荷載添加、分析求解控制、結(jié)果提取等問題進(jìn)行研究。

異形；懸吊內(nèi)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(yè)化設(shè)計(jì)進(jìn)程的快速發(fā)展，國內(nèi)火力發(fā)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(jì)算過程進(jìn)行探討，可作為同類煙囪設(shè)計(jì)的參考。

本依托工程為某2×660WM電廠“8”字形外筒懸吊式內(nèi)筒多管煙囪，煙囪外筒頂部高度為238.500m，內(nèi)筒出口高度為240.000m。外筒采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(jìn)口開孔底標(biāo)高為33.000m；內(nèi)筒為鈦鋼復(fù)合板材料，煙氣進(jìn)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(fēng)壓:0.50kN/m2（百年一遇），B類。地震參數(shù)：地震設(shè)防烈度6度，地震加速度0.05g；多遇地震影響系數(shù)最大值αmax為0.04，特征周期0.35s；設(shè)計(jì)地震分組：第一組；場地類別：Ⅱ類。

2　煙囪整體建模及本構(gòu)關(guān)系

整體模型的建立主要是對結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行描述，即通過建模來真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣等，模型及本構(gòu)關(guān)系準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的可信度。本文借助Midasgen有限元軟件對依托工程進(jìn)行計(jì)算，下文對建模過程及本構(gòu)關(guān)系設(shè)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(shí)，較多采用板殼單元和梁單元進(jìn)行分析。對常規(guī)的圓形煙囪，可采用環(huán)形漸變截面梁單元進(jìn)行模擬，但對異形煙囪，采用梁單元無法真實(shí)反映煙囪的特性，采用厚板單元能真實(shí)的對實(shí)際工程進(jìn)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(guī)范對材料定義阻尼比，根據(jù)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(qiáng)度等級(jí)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(jié)構(gòu)的受力比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)際需要，在煙囪施工孔、煙道孔等孔洞處及中間漸變段標(biāo)高區(qū)段內(nèi)，對有限元單元進(jìn)行細(xì)分，以求得更加精確的結(jié)果。普通截面有限元?jiǎng)澐殖叽缂s為1.250m左右，既保證了計(jì)算精度，又能與后期風(fēng)荷載的添加相對應(yīng)。

2.2本構(gòu)關(guān)系分析

對普通的線彈性分析，本構(gòu)關(guān)系可采用軟件內(nèi)定的材料特性，但由于煙囪在分析計(jì)算時(shí)，需要考慮裂縫造成的塑性變形影響，按照《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)定[1]，需要對煙囪筒身混凝土材料進(jìn)行剛度折減，異形煙囪附加彎矩是根據(jù)幾何非線性求解間接計(jì)算，折減系數(shù)的選取直接影響到結(jié)構(gòu)變形分析，進(jìn)而決定附加彎矩的計(jì)算結(jié)果[2]。

煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范編制組在規(guī)范中對剛度折減系數(shù)的規(guī)定與截面受力偏心率有關(guān)，而對異形煙囪來說，規(guī)范中并無規(guī)定，其截面偏心率也不易界定，在工程實(shí)例分析中，計(jì)算考慮采用剛度折減系數(shù)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(nèi)置混凝土材料的彈性模量進(jìn)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(jù)煙囪規(guī)范規(guī)定，對套筒式煙囪，主要的荷載有永久荷載、活荷載、風(fēng)荷載、吊裝荷載、附加彎矩、地震荷載等。針對本依托工程，內(nèi)筒采用懸吊式，將內(nèi)筒重量歸入活荷載范疇，根據(jù)煙囪規(guī)范規(guī)定，本依托工程可以不考慮地震荷載，僅需要滿足抗震構(gòu)造即可，由風(fēng)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(jì)算中，永久荷載即為結(jié)構(gòu)的自身重量，在模型有限元建立后，模型的質(zhì)量分布已經(jīng)確定，僅需要施加負(fù)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(tái)的活荷載，整體模型未模擬各層平臺(tái)，在煙囪的設(shè)計(jì)中，各層平臺(tái)的鋼次梁較多，其受荷作用到筒壁上時(shí)分布也較均勻，故在計(jì)算中，將各層平臺(tái)的荷載總和平均分配至該層平臺(tái)所處的外筒有限元節(jié)點(diǎn)上。

3.1.3風(fēng)荷載

異形煙囪的風(fēng)荷載不同于常規(guī)煙囪，對常規(guī)圓形煙囪，只需要根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定分別對順風(fēng)向和橫風(fēng)向效應(yīng)進(jìn)行分析即可，風(fēng)荷載可以根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的要求進(jìn)行計(jì)算，其求解較常規(guī)。但對于異形煙囪來說，其體型系數(shù)沒有資料可依，風(fēng)振現(xiàn)象也不易計(jì)算，按照荷載規(guī)范的要求，需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)成果，可以得出不同風(fēng)向作用下各標(biāo)高處的風(fēng)載值，在荷載施加時(shí)，選取荷載較大的方向進(jìn)行輸入，同標(biāo)高節(jié)點(diǎn)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(chǎn)生的高階彎矩?！稛焽柙O(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的描述是結(jié)構(gòu)因風(fēng)荷載、日照溫差、基礎(chǔ)傾斜等原因產(chǎn)生側(cè)向變形，結(jié)構(gòu)自重或豎向地震作用在水平截面產(chǎn)生的彎矩。附加彎矩在《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》中有明確的公式可以參照，但規(guī)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(shè)計(jì)規(guī)范》中也給出通用的計(jì)算公式。

式中：Gj為筒身j質(zhì)點(diǎn)的重力；uj、ui分別為筒身i、j質(zhì)點(diǎn)的最終水平位移。

從上式中可以看出，《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)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(guī)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(zhǔn)確的高階附加彎矩值，結(jié)果更加逼近真實(shí)值[4]。

從附加彎矩的定義看出，附加彎矩并非一個(gè)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(yīng)。而其初始水平位移荷載則需要施加到結(jié)構(gòu)上，即風(fēng)荷載、日照溫差、基礎(chǔ)傾斜位移等。

3.2幾何非線性求解控制

非線性分析時(shí)，需要在計(jì)算前打開所進(jìn)行的非線性分析類型，本文的計(jì)算，不考慮材料非線性和狀態(tài)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(guān)。非線性各種求解是一個(gè)迭代計(jì)算的過程，為使方程求解收斂更加容易，將荷載分為多個(gè)荷載步，在每個(gè)荷載步內(nèi)進(jìn)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(shù)量、子步迭代次數(shù)控制、收斂容差控制三個(gè)方面內(nèi)容，經(jīng)過多次試算，荷載步控制為4步，子步迭代次數(shù)控制為50次以內(nèi)，收斂容差采用位移控制0.02。經(jīng)過分析，其計(jì)算過程時(shí)長相對合理，結(jié)果也較可靠。

4　計(jì)算結(jié)果

有限元分析能夠得出全面的分析數(shù)據(jù)，從結(jié)果中，可以較直觀的查看筒壁的內(nèi)力分布規(guī)律及應(yīng)力集中現(xiàn)象，另外，也可以得到結(jié)構(gòu)位移的準(zhǔn)確數(shù)值，以查對是否滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定。有限元分析結(jié)果最終旨在進(jìn)行具體的工程設(shè)計(jì)，煙囪具體設(shè)計(jì)主要涉及到基礎(chǔ)、外筒、內(nèi)筒等方面，其設(shè)計(jì)內(nèi)容決定整體計(jì)算分析所需提取的結(jié)果類別。

從整體計(jì)算結(jié)果來看，在進(jìn)煙孔及穿棧橋孔處，外筒上存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，設(shè)計(jì)中應(yīng)對相關(guān)處進(jìn)行加強(qiáng)，外筒壁厚相對整體截面尺寸來說尺寸較小，在受力復(fù)雜處及結(jié)構(gòu)薄弱處，宜設(shè)置環(huán)梁來加強(qiáng)整體截面的剛性。煙囪筒身在頂部區(qū)段出現(xiàn)受拉區(qū)，為滿足正常使用極限狀態(tài)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(tái)和內(nèi)筒吊裝標(biāo)高下方，筒壁內(nèi)力相對復(fù)雜，參照以往懸吊內(nèi)筒的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在懸吊平臺(tái)處設(shè)置大環(huán)梁，從構(gòu)造上可以使內(nèi)筒荷載更加均布，利于外筒結(jié)構(gòu)受力。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，需要煙囪底部反力值，根據(jù)此值可直接利用《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》中基礎(chǔ)的計(jì)算公式進(jìn)行地基及基礎(chǔ)復(fù)核，值得提出的是，對懸吊式煙囪，采用環(huán)板基礎(chǔ)要比圓板基礎(chǔ)節(jié)省一定的工程量。

外筒設(shè)計(jì)中，由于國內(nèi)規(guī)范并無相關(guān)的異形截面設(shè)計(jì)方式，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，一般采用兩種計(jì)算方法，一種是直接取截面延米單元體，視作壓彎或拉彎構(gòu)件設(shè)計(jì)；另一種是根據(jù)國外煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范，編制異形截面配筋程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算中建議按兩種方式統(tǒng)一復(fù)核，取用較大值作為設(shè)計(jì)依據(jù)[5][6]。

內(nèi)筒設(shè)計(jì)中，依據(jù)國內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范，懸吊式內(nèi)筒承受內(nèi)筒自身荷載和外筒傳遞的協(xié)調(diào)位移荷載，需要根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果提取相應(yīng)止晃點(diǎn)位置的外筒位移，將內(nèi)筒作為桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。值得提出的是，用作內(nèi)筒計(jì)算的外筒位移值，不能直接采用外筒承載力計(jì)算所選取的材料剛度折減系數(shù)，而需要一定程度的加大，以使內(nèi)筒受荷更加真實(shí)。

5　結(jié)語

在沒有相關(guān)規(guī)范可依的情況下，依托工程的順利結(jié)頂，標(biāo)志著本項(xiàng)目異形煙囪計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范》中的設(shè)計(jì)原則，使用有限元工具對異形高聳煙囪整體分析從計(jì)算方法上是可行的。

②異形煙囪的分析，重點(diǎn)在于荷載的施加及附加彎矩的求解。對異形煙囪，其風(fēng)荷載作用值需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)得出，附加彎矩需要通過幾何非線性分析來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)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(guān)系到煙囪的結(jié)構(gòu)安全。

③具體到煙囪各部位的設(shè)計(jì)，需要提取整體計(jì)算分析的相關(guān)結(jié)果，對外筒設(shè)計(jì)而言，建議使用整體截面計(jì)算與局部單元計(jì)算兩種方法校核；對內(nèi)筒設(shè)計(jì)而言，其止晃標(biāo)高處相應(yīng)位移需要采取不同于外筒承載力計(jì)算的折減系數(shù)。

[1]GB 50051-2012，煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]牛春良.煙囪設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國計(jì)劃出版社，2004.

[3]湯卓，王雪，束磊，呂令毅.210m高異形煙囪橫風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，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(jì)算方法[J].電力建設(shè)，2011，32（1）：72-75.

[5]GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]鄧志寧，黃東陽.高聳異型鋼筋混凝土煙囪結(jié)構(gòu)分析[J].低溫建筑技術(shù)，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(yè)于武漢大學(xué)，碩士；工程師，主要從事電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。