高　飛，闞　陽

(大峘集團有限公司，江蘇 南京　211112)

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30 m自立式鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計*

高飛，闞陽

(大峘集團有限公司，江蘇 南京211112)

以凌源鋼鐵公司某工程為實例，闡述了30 m等截面自立式鋼煙囪的設(shè)計方法、特點以及設(shè)計中應(yīng)當注意的問題。采用軟件編制計算程序，對自定義尺寸的自立式鋼煙囪進行計算、對比，最終確定其設(shè)計截面，望對自立式鋼煙囪的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的參考作用。

鋼煙囪； 自立式； 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1　工程概況

凌源鋼鐵公司某套筒窯搬遷工程，根據(jù)工藝設(shè)計專業(yè)要求設(shè)置鋼煙囪，煙囪高度30 m，直徑2.316 m，最高煙氣溫度40 ℃；基本風(fēng)壓0.55 kN/m2,地面粗糙度為B類,地震設(shè)防烈度7度,地震加速度0.1g,地震分組為第二組,場地類別為Ⅱ類。

2　設(shè)計要點

2.1材料選用

鋼煙囪分為塔架式、拉索式、自立式煙囪。根據(jù)工程條件，結(jié)合實際情況，本設(shè)計采用自立式鋼煙囪。鋼煙囪、檢修平臺、旋轉(zhuǎn)爬梯的材料均采用Q235B，其質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。

2.2荷載與作用

(1) 煙囪的荷載與作用。a)恒荷載：結(jié)構(gòu)自重、土壓力、拉線的拉力。b)活荷載：風(fēng)荷載、煙氣溫度作用、檢修荷載、平臺活荷載、地震作用、地基沉降等。

(2) 風(fēng)荷載作用。a)本工程的基本風(fēng)壓是0.55 kN/m2。b)自立式鋼煙囪，當其坡度不大于2%時，應(yīng)根據(jù)雷諾數(shù)的不同情況進行橫方向風(fēng)振驗算；并應(yīng)符合以下規(guī)定：用于橫風(fēng)向風(fēng)振驗算的雷諾數(shù)、臨界風(fēng)速和煙囪頂部風(fēng)速，應(yīng)按GB50051-2013《煙囪設(shè)計規(guī)范》的公式計算。當雷諾數(shù)小于3×105，且煙囪頂部風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時，自立式鋼煙囪可不計算亞臨界橫風(fēng)向共振荷載，當雷諾數(shù)不小于3.5×106，且1.2倍的煙囪頂部風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時，應(yīng)驗算其共振響應(yīng)，當雷諾數(shù)不小于3×105且不大于3.5×106時，可不計算橫風(fēng)向共振荷載。在驗算橫風(fēng)向共振時，應(yīng)計算風(fēng)速小于基本設(shè)計風(fēng)壓工況下可能發(fā)生的最不利共振響應(yīng)。

(3) 地震作用。a)抗震設(shè)防烈度為6度和7度時，可不計算豎向地震作用；8度和9度時，應(yīng)計算豎向地震作用。b)水平地震作用可按現(xiàn)行國家標準GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的陣型分解反應(yīng)譜法進行計算。

2.3計算要點

(1) 自立式鋼煙囪的直徑d和對應(yīng)位置高度h之間的關(guān)系應(yīng)根據(jù)強度和變形要求，經(jīng)過計算后確定，并應(yīng)滿足h≤30d的要求；否則應(yīng)采取措施，譬如擴大煙囪下部直徑或采取減震措施等。

(2) 自立式鋼煙囪設(shè)計時，應(yīng)進行下列計算：a)彎矩和軸力作用下，鋼煙囪強度計算。b)彎矩和軸力作用下，鋼煙囪局部穩(wěn)定性驗算。c)彎矩和軸力作用下，鋼煙囪整體穩(wěn)定性驗算。d)地腳螺栓最大拉力計算。e)鋼煙囪底座基礎(chǔ)局部受壓應(yīng)力計算。f)煙道入口孔洞應(yīng)力計算。

(3) 鋼煙囪的筒壁最小厚度應(yīng)滿足下列要求：a)煙囪高度不大于20 m時，筒壁最小厚度為4.5+C(mm)。b)煙囪高度大于20 m時，筒壁最小厚度為6+C(mm)。其中，C為腐蝕厚度裕度，有隔熱層時取C=2 mm，無隔熱層時取C=3 mm。

(4) 有隔熱要求時，鋼煙囪應(yīng)設(shè)置隔熱層。

(5) 為避免鋼煙囪出現(xiàn)共振現(xiàn)象，在鋼煙囪上部應(yīng)設(shè)置破風(fēng)圈。

(6) 鋼煙囪對防腐要求比較嚴格，應(yīng)按規(guī)范要求進行防腐設(shè)計。

(7) 在荷載的標準組合效應(yīng)作用下，鋼煙囪任意高度的水平位移不應(yīng)大于該點高度的1/100。

(8) 煙道入口孔洞上、下應(yīng)設(shè)置加強環(huán)，并在加強環(huán)之間沿煙囪周圈設(shè)置加勁肋。

(9) 鋼煙囪亦應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置清掃孔、測量孔、旋轉(zhuǎn)鋼梯及檢修平臺等。

3　工程實例

3.1計算程序簡介

(1) 設(shè)計根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》、《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《煙囪設(shè)計規(guī)范》等進行。

(2) 本程序中，強度及穩(wěn)定計算為煙囪底部數(shù)據(jù)。

(3) 煙囪長細比按懸臂構(gòu)件計算，故長度系數(shù)取2。

(4) 鋼煙囪的自振周期計算對整個計算十分關(guān)鍵，對常規(guī)的斷面可根據(jù)規(guī)范或結(jié)構(gòu)動力學(xué)公式計算，復(fù)雜的情況可用MIDAS Gen建模對比。

3.2計算實例

利用編制的計算程序，對本工程直徑2.316 m，高度30 m自立式等截面鋼煙囪進行反復(fù)計算、對比，最終確定其設(shè)計截面。為了節(jié)約用鋼量，采用變截面的設(shè)計方法，煙囪下部(高度19 m)的筒壁厚度采用16 mm，煙囪上部(高度11 m)的筒壁厚度采用10 mm；充分利用了材料的性能，做到既安全又經(jīng)濟。煙囪材料均采用Q235B；檢修平臺寬度1000 mm，均布恒荷載1.5 kN/m2，均布活荷載3 kN/m2；煙道入口孔洞寬1255 mm，高1738 mm，壁厚10 mm；煙囪底部錨栓直徑36 mm，材料選用Q235B。

3.3計算分析

3.3.1橫風(fēng)向風(fēng)振計算

雷諾數(shù)Re=6900vd=5.29×106；

式中St為斯托羅哈數(shù)；T1為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的第1陣型自振周期；μH為煙囪頂部H處風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓。

由于Re>3.15×106,且1.2×Vh>VCR,所以不計算橫風(fēng)向共振。

3.3.2豎向地震計算

本工程抗震設(shè)防烈度7度，不計算豎向地震作用。

3.3.3截面驗算

a.強度計算：

式中N為與M相應(yīng)軸向壓力設(shè)計值；M為鋼煙囪水平計算截面最大彎矩設(shè)計值；Ai為計算截面處的凈截面面積；Wti為計算截面處的凈截面抵抗拒。

b.局部穩(wěn)定驗算：

式中Et為溫度作用下剛才的彈性模量；ti為計算截面處筒壁厚度；k為煙囪筒體幾何缺陷折減系數(shù)；di為i截面鋼煙囪外直徑。

c.整體穩(wěn)定驗算：

式中φ為焊接圓煙囪截面軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；NEx為歐拉臨界力。

3.3.4煙囪底部螺栓計算

螺栓數(shù)量n=24個；錨栓直徑42 mm，材質(zhì)Q235B。螺栓所受最大拉力

式中M為煙囪底部最大彎矩設(shè)計值；n為地腳螺栓數(shù)量；d0為地腳螺栓所在圓直徑。

3.3.5基礎(chǔ)局部受壓應(yīng)力計算

基礎(chǔ)混凝土局部壓應(yīng)力

由于σcbt<ωβ1fct,所以滿足要求。

式中At為鋼煙囪與混凝土基礎(chǔ)的接觸面積；W為鋼煙囪與混凝土基礎(chǔ)的接觸面截面抵抗拒；ω為荷載分布影響系數(shù)；β1為混凝土局部受壓時的強度提高系數(shù)；fct為混凝土在溫度作用下的軸心抗壓強度設(shè)計值；σcbt為鋼煙囪在混凝土底座處產(chǎn)生的局部受壓應(yīng)力。

3.3.6煙道入口孔洞應(yīng)力計算

孔洞應(yīng)力：

式中N為洞口截面處軸向力設(shè)計值；M為洞口截面處彎矩設(shè)計值；A0為洞口補強后水平截面面積；W0為洞口補強后水平截面最小抵抗拒；αk為洞口應(yīng)力集中系數(shù)。

3.3.7煙囪頂部位移計算

煙囪頂部位移：

式中q為計算截面以下均布活載設(shè)計值；l為計算截面處高度；EI為計算截面處抗彎剛度；H為鋼煙囪頂部高度。

3.3.8材料用料統(tǒng)計

本工程鋼材總用量為27.5 t，螺栓總用量為0.38 t。

4　結(jié)束語

采用編制的計算程序?qū)ψ粤⑹戒摕焽杩梢赃M行結(jié)構(gòu)快速優(yōu)化設(shè)計，全面考慮并充分利用材料的性能，做到既經(jīng)濟又合理。利用此程序進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的鋼材總量比傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的鋼材總量節(jié)約20%左右，本設(shè)計優(yōu)化效果顯著。

設(shè)計中應(yīng)結(jié)合工程實際和業(yè)主要求，合理選擇鋼煙囪的結(jié)構(gòu)形式。在鋼煙囪的設(shè)計中，一定要注意每個細節(jié)，忽視細節(jié)設(shè)計都有可能造成不良后果；相反注重細節(jié)設(shè)計，卻能更好地進行優(yōu)化設(shè)計，做到安全、經(jīng)濟、合理。

[1]GB50051-2013.煙囪設(shè)計規(guī)范[S].北京：中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2012.

[2]GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中華人民共和國建設(shè)部，2003.

[3]GB50135-2006.高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中華人民共和國建設(shè)部，2006.

[4]GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010.

[5]GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2012.

2016-01-22

高飛(1987—)，男，助理工程師。電話：13951961867

TU233;TU973.1+3