夏懷鵬，王爭榮，汪洋，胡小夫，吳沖

(中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100070)

0 引言

塔架式鋼煙囪因用鋼量小、占地面積小、建造周期短，在電廠近年來的超低排放改造工程中受到越來越多業(yè)主的青睞。

塔架式煙囪是一種新型的煙囪形式，由鋼結(jié)構(gòu)塔架和鋼煙囪整體受力[1]。塔架的剛度較大，可以給煙囪提供側(cè)向支撐，從而控制煙囪的頂部位移。煙囪在自身剛度容許的范圍內(nèi)，盡可能地提供側(cè)向支撐，剛度不足部分由鋼結(jié)構(gòu)塔架提供[2]。塔架是鋼框架結(jié)構(gòu)，煙囪是筒體結(jié)構(gòu)，2種不同形式的鋼結(jié)構(gòu)共同受力、協(xié)調(diào)變形，在設(shè)計上存在較大的難度。

本文以四邊形塔架式鋼煙囪為例，利用有限元軟件MIDAS對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，根據(jù)實際情況對結(jié)構(gòu)和荷載組成進(jìn)行了模擬，并通過大量的計算明確該結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的受力性能和形變特點，對四邊形塔架式煙囪的設(shè)計提供改進(jìn)建議。

1 四邊形塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)模型

四邊形塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)由四邊形的鋼結(jié)構(gòu)框架和筒體煙囪組成，類似傳統(tǒng)的框架核心筒結(jié)構(gòu)，其外部的塔架為框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的煙囪為筒體結(jié)構(gòu)，兩者協(xié)同受力、協(xié)調(diào)變形，共同組成了一個整體結(jié)構(gòu)。

通過MIDAS軟件建立了該結(jié)構(gòu)的有限元模型：煙囪高度為100.0 m，底部直徑為6.0 m，出口直徑為5.5 m；塔架高度為70.0 m，塔架平面尺寸為6.6 m×6.6 m，每層高度為5.0 m，共14層；塔架底部增加了1個副跨，跨度為6.6 m，距離塔架4.5 m，共4層，用于支撐通過的其他管道；副跨與塔架采用鉸接連接。鋼框架采用MIDAS里面的梁單元，煙囪本體采用殼體單元來模擬。根據(jù)計算精度的需要，結(jié)構(gòu)上部的網(wǎng)格劃分比較大，底部的網(wǎng)格加密，如圖1所示。

圖1 四邊形塔架式煙囪有限元模型Fig.1 Finite element model of quadrangle tower-frame chimney

圖2 結(jié)構(gòu)的前4階模態(tài)Fig.2 The first four order mode of the structure

2 四邊形塔架式鋼煙囪模態(tài)分析

此類結(jié)構(gòu)水平荷載的計算與結(jié)構(gòu)自振周期有關(guān)。通過MIDAS軟件建立的有限元模型進(jìn)行試算。在確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本大小之后進(jìn)行模態(tài)分析，確定結(jié)構(gòu)的自振周期，然后可以計算該結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和地震荷載。結(jié)構(gòu)的前四階模態(tài)均為整體變形的模態(tài)，如圖2所示。前兩階模態(tài)周期短且接近，為結(jié)構(gòu)主控模態(tài)，第三階及之后的高階模態(tài)自振周期都很大，計算時可以不考慮。

煙囪的前兩階模態(tài)是垂直于塔架立面的整體彎曲變形，因此模態(tài)受底部開洞的影響很大，需根據(jù)開洞的位置和大小進(jìn)行分析[3]。通過有限元軟件分析得出，煙囪底部開洞較小時(如四邊形塔架煙囪結(jié)構(gòu)的第一模態(tài))，對角線方向受載整體彎曲。當(dāng)煙囪底部開洞較大時，煙囪底部的剛度被大大削弱。

從結(jié)構(gòu)的第一模態(tài)計算可以得出結(jié)構(gòu)的第一周期，T1=1.216 s。結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》可以計算得到結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和地震荷載。

3 四邊形塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)受力分析

通過建模分析可知，四邊形塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)是由2種不同類型的鋼結(jié)構(gòu)組合產(chǎn)生的新型結(jié)構(gòu)，其受力兼具2種結(jié)構(gòu)的特點，又與其不同。塔架和筒體之間采用滑動連接，可以傳遞水平作用力，組合結(jié)構(gòu)共同承受水平荷載；滑動連接不能傳遞豎向荷載，所以塔架和煙囪分別承受各自的豎向荷載。

四邊形塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)所受荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、平臺活荷載、積灰荷載、裹冰荷載、煙氣壓力、風(fēng)荷載、地震作用及溫度作用。該項目屬于超凈改造項目，平臺又很小，積灰可以忽略不計；煙囪位于南方地區(qū)，常年溫度都高于零度，所以沒有考慮裹冰荷載；煙氣壓力通過計算可以忽略不計。因此，該煙囪的設(shè)計主要考慮了恒荷載(G)、活荷載(Q)、風(fēng)荷載(W)、地震作用(E)和溫度作用(T)。根據(jù)有限元計算結(jié)果，水平荷載(主要是風(fēng)荷載和地震荷載)控制該結(jié)構(gòu)的設(shè)計，水平荷載的加載要考慮荷載的最不利加載方向。此次設(shè)計考慮了11種荷載組合[4]，見表1。

煙囪設(shè)計規(guī)范規(guī)定，四邊形塔架煙囪受正面方向和對角線方向的外力作用。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)計算出的水平荷載，對模型進(jìn)行X方向、Y方向、對角線方向的加載。圖3為最不利荷載組合下結(jié)構(gòu)的位移。

從加載后的結(jié)構(gòu)位移來看，X向加載時的位移>Y向加載時的位移>對角線方向加載時的位移。3個方向加載的位移比都滿足1/150的控制要求[5-6]。由此可見，在此類煙囪結(jié)構(gòu)底部開洞，減弱了Y向的結(jié)構(gòu)剛度；對角線方向結(jié)構(gòu)剛度最小，因此位移最大。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該取3個方向加載時結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大的情況進(jìn)行校核。

圖3 最不利荷載組合下的結(jié)構(gòu)位移Fig.3 Displacement of structures under the most unfavorable load combination

表1 荷載組合Tab.1 Load combinations

在設(shè)計柱腳錨栓時，也應(yīng)該根據(jù)3個方向加載最不利的情況進(jìn)行設(shè)計。一般情況下，對3 個方向加載時，塔架和煙囪對應(yīng)方向上的柱腳反力最大。

四邊形塔架煙囪屬于高聳結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的平面和立面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度沿高度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變[7-8]。因此，塔架和煙囪可以通過采用調(diào)整截面大小來改變結(jié)構(gòu)的剛度，使結(jié)構(gòu)剛度自下而上均勻變化。

4 溫度荷載的影響分析

如果煙氣溫度比較高的話，高聳無隔熱層的鋼煙囪會在高溫?zé)煔鉁囟鹊拈L時間作用下基本達(dá)到煙氣的溫度。受熱的煙囪會因熱膨脹而變形，在垂直方向和徑向上膨脹變大。受熱變形屬于內(nèi)力自平衡的過程，只要保證煙囪在熱作用下能夠自由變形，煙囪本身就不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，除了煙囪的底座部位，其他部位基本都可以自由膨脹、變形，溫度應(yīng)力很小。但是煙囪底座受到錨栓的約束作用，在約束部位存在很大的溫度應(yīng)力，且煙囪底座的底板越厚，溫度應(yīng)力就越大。

在煙囪升溫達(dá)到162 ℃時，煙囪底座底板部分的溫度應(yīng)力就會超過設(shè)計值，因此需要根據(jù)應(yīng)力的設(shè)計值對底板厚度進(jìn)行調(diào)整，并在煙囪支座底部采取構(gòu)造措施，使煙囪底座在溫度作用下發(fā)生微小的膨脹滑移以釋放溫度應(yīng)力。

5 煙囪與塔架的連接節(jié)點處理

四邊形塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)類似傳統(tǒng)的框架核心筒結(jié)構(gòu)，外部的塔架是框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的煙囪是筒體結(jié)構(gòu)，兩者協(xié)同受力、協(xié)調(diào)變形，共同組成了一個整體結(jié)構(gòu)。隨著排煙溫度的上升，煙囪的溫度會隨著煙氣的流通而上升，并在軸向和徑向上均發(fā)生膨脹；而塔架基本上處于常溫狀態(tài)，因此熱變形很小。兩者的形變在連接部位差別很大，因此，要在兩者連接的地方采取構(gòu)造措施，使塔架與煙囪滑動連接，以相互傳遞水平荷載而并不限制豎向的位移。這種節(jié)點是該結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵所在，必須根據(jù)溫度形變確定好節(jié)點的構(gòu)造。

本文結(jié)構(gòu)采取的節(jié)點樣式如圖4所示，在煙囪壁板上焊接槽鋼，塔架上的牛腿伸進(jìn)槽鋼里，并留有5 mm的間隙，內(nèi)襯5 mm的聚四氟乙烯板。當(dāng)煙囪隨溫度變化引起的變形時，槽鋼可以在卡槽內(nèi)上下移動，同時不影響和塔架支架傳遞水平力。

圖4 連接節(jié)點構(gòu)造Fig.4 Connection node construction

6 結(jié)論

(1)從本文的分析可以看出，四邊形塔架式鋼煙囪是一種組合鋼結(jié)構(gòu)，受力比較復(fù)雜，需要通過有限元軟件模擬受力狀態(tài)。應(yīng)通過模態(tài)分析，確定結(jié)構(gòu)的自振周期，進(jìn)而計算結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載和地震荷載。

(2)沒有做隔熱的鋼煙囪底部受溫度應(yīng)力的影響很大。為減小此處的熱應(yīng)力，塔架和煙囪支架可采用滑動連接。