薛瑜照

（中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司， 北京 100120）

0 引言

不同于火力發(fā)電廠傳統(tǒng)的圓形煙囪，垃圾焚燒發(fā)電廠多采用矩形煙囪，從而可以進行豐富多樣的外立面設(shè)計，使得煙囪成為垃圾焚燒發(fā)電廠甚至當?shù)爻鞘械囊粋€標志性建筑。本文就安徽省宣城市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠的煙囪設(shè)計為例，進行矩形鋼筋混凝土外筒的受力性能分析。

1 工程概況

本工程采用多管式煙囪，由兩個鋼內(nèi)筒和矩形鋼筋混凝土外筒組成。鋼筋混凝土外筒平面長7.7m，寬7m，高度為79 米，標高4.5m 處設(shè)有一個寬4m 高5 米的安裝洞，兩個煙道進口，以及門洞、窗洞等洞口。鋼內(nèi)筒下部支承于4.5 米處的混凝土平臺上，另在外筒頂部77.5m 處設(shè)有型鋼混凝土組合樓板檢修平臺，中間21m、42m、60m 有3 個鋼平臺，如圖1。

2 模型建立

采用有限元分析軟件Midas gen 對該煙囪鋼筋混凝土外筒進行計算分析，混凝土標號為C30，側(cè)壁厚度自下而上遞減，分別為0.4m、0.35m、0.3m、0.25m，采用板單元來模擬混凝土側(cè)壁，網(wǎng)格劃分尺寸為0.5m，在洞口處適當減小網(wǎng)格劃分尺寸。

2.1 地震荷載輸入

在Midas gen 中輸入地震反應(yīng)譜函數(shù)和相應(yīng)的反應(yīng)譜荷載工況。根據(jù)《煙囪設(shè)計規(guī)范》，抗震設(shè)防烈度為6 度和7 度時，可不計算豎向地震作用，但本工程煙囪設(shè)有多個水平檢修平臺，并且鋼內(nèi)筒支承在混凝土平臺上，故水平地震作用和豎向地震作用均應(yīng)考慮。

2.2 風荷載輸入

在Midas gen 中煙囪風荷載以面荷載的形式施加，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，風荷載計算公式為

3 整體計算結(jié)果分析

3.1 振型和周期分析

通過計算得出煙囪的前4 階振型型見圖2。

Mode1 Mode2 Mode3 Mode4圖1 煙囪平面布置圖 圖2 煙囪前4 階振型

從圖2 可以看出第1 振型和第2 振型為平動，第3 振型和第4 振型為扭轉(zhuǎn)，計算到第33 振型時，x 方向和y 方向的質(zhì)量參與系數(shù)達到90%，滿足規(guī)范要求。

3.1 風荷載作用下位移分析

煙囪在風荷載作用下呈現(xiàn)典型的彎曲變形，位移隨高度增加而線性增大，表明煙囪在50 年一遇風壓作用下處于彈性變形狀態(tài)，并且最大位移＜1/100,滿足規(guī)范要求。

3.2 風荷載作用下軸力分析

總軸力隨高度增加幾乎呈線性下降，而單位長度墻體截面軸力在大約5m 高度時最大，是因為鋼筋混凝土外筒在4.5m 處有一個較大的安裝洞，使得此高度范圍內(nèi)煙囪橫截面大幅度減小，從而單位長度墻體截面軸力增大。

3.3 風荷載作用下應(yīng)力分析

煙囪在風荷載作用下筒壁等效應(yīng)力自下而上逐漸減小，而在安裝洞口周圍等效應(yīng)力最大，如圖3 所示。這是因為洞口處應(yīng)力集中導致的。最大等效應(yīng)力為3532.5KN/m2,即3.532N/mm2，滿足規(guī)范要求。

圖3 筒壁等效應(yīng)力圖

4 不同工況下結(jié)果比較

以x 方向風荷載和x 向地震這兩種工況為例，煙囪頂部在風荷載和地震作用下的位移分別為28.4mm 和16.1mm，可知在風荷載作用下煙囪的變形要比在地震作用下大。而在地震作用下煙囪在安裝洞、門窗洞口周圍以及角部的應(yīng)力集中更加明顯。可以得出在煙囪墻身配筋計算時風荷載起控制作用，而煙囪角部和洞口周圍的約束邊緣構(gòu)件配筋和構(gòu)造則由地震作用下相應(yīng)部位的內(nèi)力控制。

5 附加彎矩的影響

在單工況x 向風荷載作用下的煙囪頂部位移為28.4mm，而在工況“恒荷載+x向風荷載”作用下的位移為38.7mm，要明顯大于只在風荷載作用下煙囪的位移，這是由于煙囪在風荷載作用下發(fā)生水平位移，這樣在煙囪重力作用下就會產(chǎn)生附加彎矩，由于附加彎矩的影響，煙囪筒身的變形就進一步增大。在實際工程中，由于鋼內(nèi)筒在在煙囪外筒平臺上的偏心布置、基礎(chǔ)傾斜等原因等都會產(chǎn)生附加彎矩，在煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計中，附加彎矩不可忽略。

6 結(jié)論

通過對多管式煙囪矩形鋼筋混凝土外筒的有限元分析，得出結(jié)論：

（1）混凝土煙囪在風荷載作用下處于彈性變形狀態(tài)，頂部位移最大，底部軸力最大，安裝洞周圍等效應(yīng)力最大。

（2）煙囪在風荷載作用下的變形和內(nèi)力都要比地震荷載下明顯，筒身墻體配筋受風荷載控制，但洞口周圍及角部應(yīng)力集中處需根據(jù)地震作用效應(yīng)進行加強。

（3）附加彎矩對煙囪的變形影響較大，設(shè)計中不可忽略。