陳煊 杜富強 鄭云 趙松濤

(中冶建筑研究總院有限公司 北京100088)

引言

三管自立式鋼煙囪常見于煉鋼企業(yè)中，20世紀初我國對該結(jié)構(gòu)形式的煙囪應(yīng)用較多，其結(jié)構(gòu)形式一般為在三管間設(shè)置聯(lián)系桁架，形成整體或共同受力。近些年已有學(xué)者提出了管-連系梁的體系[1]，簡化了結(jié)構(gòu)體系。早期的研究設(shè)計[2]將三管以簡化平面桁架作為計算方法，將三管及桁架作為一個整體進行受力驗算。而實際在受力過程中，管道和空間桁架的剛度相差較大，簡化平面桁架方法已不適用于三管自立式煙囪的計算。隨著有限元方法的日益成熟，對于三管自立式煙囪的承載力驗算可以較為準確地反映結(jié)構(gòu)實際受力情況。

三管煙囪內(nèi)部在使用多年以后由于防腐失效，導(dǎo)致管道內(nèi)壁腐蝕變薄，存在嚴重安全隱患，許多相同構(gòu)造的煙囪均存在類似的問題。本文依據(jù)某鋼鐵企業(yè)三管自立式煙囪實例，測試了煙囪的實際壁厚，分析了銹蝕后煙囪的承載力，通過各加固方法比選，確定了煙囪的具體加固技術(shù)方案。

1 銹蝕檢測

1.1 項目概述

山東某鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐一次除塵的三管自立式鋼煙囪建于2007年，三根煙囪管徑1420mm，壁厚10mm，每隔12m設(shè)置一道連系桁架，共設(shè)置5道連系桁架。煙囪總高60m，三鋼管的布置呈等邊三角形，且三角形的邊長沿高度方向均勻變化。0m標高處三角形的邊長為8660mm，60m標高處其邊長為3464mm。煙囪所用鋼材牌號為Q235B。

1.2 銹蝕檢測結(jié)果

沿高度方向分別對三根煙囪管壁壁厚進行測量，并結(jié)合已使用年限對該煙囪的腐蝕速率進行推算。檢測結(jié)果及腐蝕速率推算見表1及表2。

表1 管壁剩余厚度檢測結(jié)果Tab.1 Test result of remaining thickness of pipe wall

表2 管壁腐蝕速率計算結(jié)果Tab.2 Calculation result of corrosion rate of pipe wall

根據(jù)表1管壁厚度檢測結(jié)果，三管自立式煙囪三根管的銹蝕程度均十分嚴重，其中2#柱的銹蝕程度最嚴重，30.0m標高以下的銹蝕率普遍高于25%，局部銹蝕率最高達36%。

根據(jù)表2管壁腐蝕速率計算結(jié)果，2#柱30m以下部分鋼材腐蝕速率較高，其平均腐蝕速率為0.29mm/年；2#柱30m以上部分、1#柱和3#柱的腐蝕速率較均勻，平均腐蝕速率為0.20mm/年?？紤]到投產(chǎn)使用前幾年防腐涂料保護作用，目前實際銹蝕速率應(yīng)大于0.20mm/年，按照此腐蝕速度，后續(xù)使用不到5年，測點最薄處管壁厚度將不足5mm，嚴重影響生產(chǎn)安全。

2 承載力分析

2.1 有限元模型

使用Midas有限元軟件對三管自立式煙囪進行建模分析，有限元模型見圖1。根據(jù)初步分析，該煙囪三個主管道為壓彎構(gòu)件，三管間的聯(lián)系桁架為空間桁架體系，桿件均為二力桿。因此建模采用梁單元模型，邊界條件為三管底部固接，桁架節(jié)點設(shè)為鉸接。為符合工程實際現(xiàn)狀，鋼管壁厚度按照最不利情況設(shè)置為6mm。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

2.2 模態(tài)分析

根據(jù)建立的有限元模型對三管自立式煙囪模態(tài)進行分析，計算得到前4階固有頻率及周期結(jié)果，如表3所示。

表3 煙囪自振頻率及周期Tab.3 Chimney natural vibration frequency and period

2.3 體型系數(shù)μs計算

根據(jù)《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)條文說明5.2，當(dāng)迎風(fēng)面擋風(fēng)系數(shù)φ＞0.5時，μs值隨著φ的增大而增大，特別是在d·v≥6m2/s時。遵守這一規(guī)律，對于三個排煙筒一般均屬于φ＞0.5，d·v≥6m2/s的情況(d為管徑，v為風(fēng)速)。推薦三個排煙筒的整體風(fēng)荷載體型系數(shù)為:

式中:擋風(fēng)系數(shù)φ=迎風(fēng)面構(gòu)件的凈投影面積/迎風(fēng)面輪廓面積。

為盡量保證體型系數(shù)計算符合實際，本文選取公式(1)計算體型系數(shù)，計算最大擋風(fēng)系數(shù)φ=0.582，相應(yīng)體型系數(shù)μs=1.233。

2.4 風(fēng)荷載計算

根據(jù)設(shè)計條件，該煙囪基本風(fēng)壓w0為0.40kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

1.橫風(fēng)向風(fēng)振

按《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)[4]第5.2.4條規(guī)定，對于自立式結(jié)構(gòu)鋼煙囪，應(yīng)根據(jù)雷諾數(shù)的不同情況進行橫風(fēng)向風(fēng)振驗算。雷諾數(shù)的計算公式如下:

式中:v為計算高度處風(fēng)速，計算煙囪筒身風(fēng)振時，可取v=vcr，j；d為結(jié)構(gòu)截面的直徑，當(dāng)結(jié)構(gòu)的截面沿高度縮小時(傾斜度不大于0.02)，可近似取2/3結(jié)構(gòu)高度處的直徑；Tj為結(jié)構(gòu)第j振型的自振周期，驗算亞臨界微風(fēng)共振時取基本自振周期T1；St為斯脫羅哈數(shù)，對圓截面結(jié)構(gòu)取0.2。

根據(jù)式(2)及式(3)計算得到第1～4階振型的Re值范圍介于3×105～3.5×106之間，故可不計算橫風(fēng)向共振荷載。

2.順風(fēng)向風(fēng)荷載

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[5]第8.1.1條規(guī)定，風(fēng)荷載標準值wk按:

式中:βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；w0為基本風(fēng)壓。

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[5]第8.4.3條規(guī)定，順風(fēng)向風(fēng)荷載風(fēng)振系數(shù)βz按:

式中:g為峰值因子，可取2.5；I10為10m高度名義湍流強度，對應(yīng)B類地面粗糙度，可取0.14；R為脈動風(fēng)荷載的共振分量因子；Bz為脈動風(fēng)荷載的背景分量因子。R與Bz的值按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[5]第8.4.4～8.4.7條規(guī)定計算。

對10m、20m、30m、40m、50m、60m高度的風(fēng)荷載參數(shù)按公式(4)分別進行計算，對應(yīng)計算結(jié)果如表4所示。

表4 風(fēng)荷載標準值計算結(jié)果Tab.4 Calculation result of wind load standard value

2.5 承載能力計算

1.荷載條件

三管自立式煙囪的驗算分為承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)，包括恒荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、活荷載、地震荷載等。根據(jù)分析，三管自立式鋼煙囪起控制作用的荷載主要有恒荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、活荷載，其中恒荷載按照實際自重取值，風(fēng)荷載按照計算結(jié)果取值，溫度荷載按照2個主管道升溫50℃的溫度條件取值，活荷載按照原設(shè)計規(guī)定取值。

承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)分別按照以下組合計算:

(1)根據(jù)《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)[4]3.1.4～3.1.7條規(guī)定，承載力極限狀態(tài)計算的基本組合分項系數(shù)及組合值系數(shù)按照規(guī)范中表3.1.6、表3.1.7規(guī)定取值。由于三管自立式鋼煙囪溫度荷載為長期作用，故采用1.35G+1.4W+1.0T組合進行計算。

(2)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計按照1.0G+1.0W+1.0T組合。

2.計算結(jié)果

(1)承載能力極限狀態(tài)計算結(jié)果:1#、2#、3#柱的最大驗算比(作用效應(yīng)與構(gòu)件抗力的比值)為1.335，承載力均不滿足《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)[4]的要求；柱之間各標高的連系桁架承載力均不滿足《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)[4]的要求。局部桁架驗算結(jié)果見圖2。

圖2 局部桁架驗算結(jié)果Fig.2 Truss partial results

(2)正常使用極限狀態(tài)計算結(jié)果:結(jié)構(gòu)整體的最大位移為57.2mm，位移比為1/105，位移比滿足現(xiàn)行《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)[4]的要求。

3 加固方案分析

根據(jù)此結(jié)構(gòu)實際腐蝕速率及承載力驗算結(jié)果，按照不同加固量提出三種加固方案。各加固方案示意見圖3，圖中紅色構(gòu)件為加固構(gòu)件。

圖3 加固方案Fig.3 Reinforcement scheme

3.1 方案一

該加固方案為沿高度方向新增一道連系梁，并將原連系桁架更換為連系梁。此方案預(yù)期后續(xù)使用2年。

根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，2#管2年后預(yù)計剩余最薄厚度5.8mm。根據(jù)有限元分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)強度與整體穩(wěn)定均滿足要求。而根據(jù)局部穩(wěn)定驗算結(jié)果，主管道局部荷載抗力效應(yīng)比為1.33。故此方案不能滿足后續(xù)使用2年要求。

3.2 方案二

該加固方案為僅對2#管進行包鋼加固，包鋼厚度10mm，其余加固方案同方案一。此方案預(yù)期后續(xù)使用年限2年。

根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，1#管、2#管2年后預(yù)計剩余最薄厚度7.0mm。根據(jù)有限元分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)強度與整體穩(wěn)定均滿足要求。而根據(jù)局部穩(wěn)定驗算結(jié)果，主管道局部荷載抗力效應(yīng)比為1.11。故此方案仍不能滿足后續(xù)使用2年要求。

3.3 方案三

該加固方案為對3個主管24m標高以下進行包鋼加固，包鋼厚度10mm，其余加固方案同方案一。此方案預(yù)期后續(xù)使用年限5年。

根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，3個主管5年后預(yù)計剩余最薄厚度6.0mm。根據(jù)有限元分析結(jié)果，三管24m以下部分按照10mm厚度計算強度及整體穩(wěn)定效應(yīng)抗力比為0.711，局部穩(wěn)定驗算效應(yīng)抗力比為0.95；24m以上部分按照6mm計算強度及整體穩(wěn)定效應(yīng)抗力比為0.598，局部穩(wěn)定驗算效應(yīng)抗力比為0.84。考慮計算較為保守，故此方案可滿足后續(xù)使用年限5年的要求。

4 方案三技術(shù)比選

方案三涉及兩個部分:一是采用外部貼焊鋼板的方式對3個管道進行加固；二是增設(shè)連系梁。

外部貼焊鋼板加固方式按照不同構(gòu)造分為兩種方法:(1)沿高度方向每隔一段距離施焊一環(huán)形隔板，并在環(huán)形隔板上焊接10mm厚的外包鋼板。方案示意見圖4a；(2)直接將10mm厚的外包鋼板與原管壁焊接，在外包鋼板接縫處采用坡口焊，并將外包鋼板與原管壁進行塞焊連接。方案示意見圖4b。

圖4 包鋼加固構(gòu)造Fig.4 Encircle steel reinforcement structure

對比這兩種技術(shù)，方法(1)外包鋼板與原結(jié)構(gòu)通過環(huán)形隔板連接的構(gòu)造使得原鋼管壁需要通過隔板連接來傳遞受力，冗余度較低，隨著腐蝕加劇，環(huán)板可能出現(xiàn)脫落問題；方法(2)將新增鋼板與結(jié)構(gòu)通過塞焊方式直接連接，并且在鋼板邊界位置均有焊縫連接，簡化了傳力途徑，增加了連接的冗余度和可靠性。因此方法(2)更加合理可靠，故選擇方法(2)作為加固方案。

連梁與管壁的連接構(gòu)造為在24m以上連梁與管壁連接位置外包10mm鋼板，并且在與連梁連接處增設(shè)肋板，梁與肋板采用栓焊連接方式。連接方式見圖5。經(jīng)驗算節(jié)點處構(gòu)件及連接的承載力滿足要求。

圖5 連梁節(jié)點加固構(gòu)造Fig.5 Tie beam joint reinforcement structure

5 結(jié)語

根據(jù)對現(xiàn)狀承載力分析，三管自立式煙囪桁架及主管承載力均不滿足《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051—2013)要求。通過加固方案技術(shù)比選，最終采用塞焊連接方式進行主管加固，并在上部連梁的節(jié)點處將管壁進行包鋼加固，連梁與管壁采用栓焊連接方式可滿足節(jié)點處構(gòu)件與連接的承載力要求，延長煙囪的使用壽命。