吳松濤，范存新

(蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

煙囪是工業(yè)建筑中的一種特種結(jié)構(gòu)，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，煙囪的高度也在逐步增加。在鋼鐵廠、火力發(fā)電廠等工廠內(nèi)，一般都建有幾十米到幾百米不等的煙囪。其結(jié)構(gòu)形式一般為單筒式煙囪、套筒煙囪或多管煙囪，且具有結(jié)構(gòu)的高寬比較大的特點(diǎn)，是一種典型柔性高聳結(jié)構(gòu)，受風(fēng)荷載的影響非常顯著。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，工業(yè)排放的煙氣往往都是高溫氣體，煙氣的溫度對煙囪的筒體本身產(chǎn)生一定的影響，況且煙囪的筒體在使用過程中常年處于高溫作用的狀態(tài)，一方面高溫?zé)煔鈺B透到筒壁內(nèi)部，另一方面隨著煙囪的長時(shí)間使用以及隔熱材料的老化，筒壁完全有可能在高溫狀態(tài)下工作。因此我們對高聳煙囪進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)研究時(shí)，應(yīng)該充分考慮在高溫?zé)煔庥绊懴?，煙囪筒壁鋼筋與混凝土的力學(xué)性能發(fā)生改變后，會對風(fēng)振響應(yīng)的結(jié)果造成一定的影響。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對煙囪遭受風(fēng)振破壞和受高溫破壞方面的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。其中，陳鑫等[1]根據(jù)高聳煙囪的特點(diǎn)，建立其質(zhì)量模型的動(dòng)力微分方程，通過改進(jìn)諧波疊加法來模擬風(fēng)荷載，最后編制程序針對煙囪在順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)振情況下在時(shí)域和頻域內(nèi)求解。張玉梅等[2]通過24個(gè)不同幾何參數(shù)的煙囪，用有限元模擬其溫度場分布結(jié)果，并與試驗(yàn)結(jié)果對比分析，確認(rèn)出一個(gè)計(jì)算煙囪溫度場的簡單方法。鄭歡[3]探討了考慮溫度影響與不考慮溫度影響的煙囪幾何非線性地震響應(yīng)分析，得出溫度的影響程度與地震動(dòng)的頻譜特性有關(guān)的結(jié)論。G.K.Verboom等[4]依據(jù)多種規(guī)范對13個(gè)高聳鋼煙囪的橫向風(fēng)振動(dòng)進(jìn)行了對比研究。

綜上所述，單獨(dú)考慮風(fēng)振、高溫和地震等因素對煙囪結(jié)構(gòu)影響的研究頗多，而煙囪的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是受到多種因素共同作用的結(jié)果，且多項(xiàng)受力的耦合分析相對復(fù)雜，難以收斂，因此本文對高聳煙囪在高溫作用下的風(fēng)振響應(yīng)分析進(jìn)行研究，對實(shí)際工程具有一定的參考意義。本文以某高聳鋼筋混凝土煙囪為研究對象，首先利用ABAQUS軟件模擬煙囪工作時(shí)的溫度場，得出煙囪筒壁的升溫曲線，確定其所受的最高溫度，然后通過MATLAB軟件模擬脈動(dòng)風(fēng)速，計(jì)算風(fēng)荷載，再由ABAQUS有限元軟件進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程非線性分析，分別得出常溫下的風(fēng)振響應(yīng)結(jié)果和考慮高溫作用后的風(fēng)振響應(yīng)結(jié)果，并進(jìn)行對比研究。

1 計(jì)算模型

1.1 工程概況

本文所研究的煙囪的結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土單筒煙囪。煙囪標(biāo)高180 m，筒壁底部內(nèi)半徑8.38 m，外半徑8.88 m，頂部內(nèi)半徑3.75 m，外半徑3.93 m。煙囪主要由鋼筋網(wǎng)、混凝土層和內(nèi)襯、隔熱層三部分組成，其中內(nèi)外縱筋主材采用HRB335鋼，內(nèi)外箍筋則均為HPB300鋼，筒壁采用C35混凝土，隔熱層為憎水性水玻璃珍珠巖板，內(nèi)襯為耐酸陶土磚。

1.2 煙囪有限元模型

基于ABAQUS軟件，按照實(shí)際模型圖紙，采用分離式建模方法，建立了某180 m高的鋼筋混凝土單筒煙囪的三維有限元模型。其中鋼筋均采用桁架單元進(jìn)行模擬，筒壁混凝土層和內(nèi)襯采用均質(zhì)實(shí)體單元模擬；隔熱層則采用均質(zhì)殼單元進(jìn)行模擬，模型的具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型考慮了鋼筋混凝土材料的非線性，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]采用彈塑性本構(gòu)模型。建立的高聳煙囪有限元模型如圖1所示。

表1 模型相關(guān)參數(shù)

圖1 煙囪有限元模型

2 溫度場分析

2.1 溫度場模擬方法

為了得到在高溫?zé)煔庾饔孟聼焽鑳?nèi)部各點(diǎn)不同時(shí)刻的溫度變化情況和煙囪筒壁的升溫曲線，本文利用ABAQUS軟件對煙囪進(jìn)行熱傳遞分析，得到的溫度場結(jié)果用以后續(xù)計(jì)算考慮高溫作用后的風(fēng)振響應(yīng)。

在煙囪正常啟動(dòng)工作時(shí)，多種因素都會影響煙囪筒壁的溫度場，例如煙囪自身沿高度有顯著的坡度變化，還可能受到高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)、腐蝕，以及煙囪外界氣溫改變、日光輻射、風(fēng)力等的影響。本文認(rèn)為煙囪筒壁的溫度場分布隨時(shí)間不斷地發(fā)生變化，故采用不規(guī)則邊界條件下的柱坐標(biāo)三維瞬態(tài)導(dǎo)熱的溫度場模型[6]。

為了簡化計(jì)算，本文不考慮煙氣溫度會沿?zé)焽韪叨冉档偷那闆r，均取煙氣的最高溫度，因此鋼筋混凝土煙囪首先受到假定為恒溫的高溫?zé)煔庾饔?，然后高溫?zé)煔鈱?nèi)襯進(jìn)行熱對流作用，接著內(nèi)襯對隔熱層進(jìn)行熱傳導(dǎo)作用，同時(shí)隔熱材料把熱量以熱傳導(dǎo)的形式傳遞給鋼筋混凝土層，最后煙囪的外表面把熱量以熱輻射的形式傳遞給外界大氣。其中的熱對流作用使用國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線ISO-834來模擬(如圖2所示)，熱傳導(dǎo)作用通過在ABAQUS軟件中定義如表2、3所示的材料熱學(xué)參數(shù)來模擬[7]，熱輻射則通過有限元軟件自帶功能實(shí)現(xiàn)。

圖2 ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

表2 混凝土的熱學(xué)性能

表3 鋼筋的熱學(xué)性能

2.2 溫度場計(jì)算結(jié)果

本文使用ABAQUS軟件進(jìn)行煙囪溫度場有限元分析，煙囪的環(huán)境溫度選取為常溫25 ℃，煙囪的升溫時(shí)間為8 h，得到結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 煙囪整體截面溫度云圖(單位：℃)

圖4 煙囪頂部筒壁內(nèi)外表面溫度

從圖3～4可以發(fā)現(xiàn)，煙囪在高溫?zé)煔庾饔孟?，其截面溫度隨之升高，整體呈現(xiàn)出由內(nèi)到外，溫度逐漸降低的情況。內(nèi)襯耐火磚由于直接接觸高溫?zé)煔庾饔?，因此整體溫度最高，珍珠巖板隔熱層其次。當(dāng)熱量最終傳遞到鋼筋混凝土筒壁內(nèi)側(cè)時(shí)，最高不超過140 ℃，滿足規(guī)范[8]中對鋼筋混凝土煙囪筒壁最高受熱溫度不超過150 ℃的要求。煙囪外表面由于和外界空氣接觸，發(fā)生熱輻射，因此升溫較為緩慢，且最高溫度出現(xiàn)在煙囪頂部，最高升至70 ℃左右?？梢姛焽璧母魺釋悠鸬搅艘欢ǖ母魺嶙饔?。

3 風(fēng)與溫度耦合作用

3.1 線性濾波法模擬風(fēng)速

本文通過編寫MATLAB程序來模擬脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線[9-10]。由于煙囪截面為圓形對稱結(jié)構(gòu)，因此各風(fēng)向角對結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載沒有影響。該煙囪高180 m，每隔10 m取一個(gè)風(fēng)速模擬點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)點(diǎn)。模擬選用Davenport譜，地貌類別B類，平均風(fēng)速取30 m/s，時(shí)間步長取0.125 s，風(fēng)速計(jì)算時(shí)長30 s，得到煙囪18個(gè)模擬點(diǎn)處的風(fēng)速。圖5所示為坐標(biāo)(0,0,180)煙囪頂點(diǎn)處的總風(fēng)速時(shí)程曲線。按公式(1)將風(fēng)速換算成煙囪各段上的等效節(jié)點(diǎn)荷載[11]，施加在模型上的x方向。

圖5 煙囪頂點(diǎn)總風(fēng)速時(shí)程圖

(1)

式中：Fi(t)為t時(shí)第i段的等效節(jié)點(diǎn)荷載；μsi為煙囪第i段的體型系數(shù)；μzi為煙囪第i段的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；Afi為煙囪第i段的投影面積；v為總風(fēng)速，由平均風(fēng)與脈動(dòng)風(fēng)疊加。

由此可以得到煙囪各段的風(fēng)荷載值，以煙囪頂點(diǎn)處筒段為例，如圖6所示。

圖6 煙囪頂點(diǎn)風(fēng)荷載時(shí)程圖

3.2 鋼筋與混凝土在高溫下的力學(xué)性能

煙囪受到高溫?zé)煔庾饔煤?，鋼筋混凝土筒壁的力學(xué)性能會隨溫度升高發(fā)生改變，為了進(jìn)一步研究在溫度影響下的煙囪抗風(fēng)性能，本文將繼續(xù)討論在風(fēng)與溫度共同作用下的煙囪動(dòng)力響應(yīng)分析。

混凝土在高溫下的彈性模量折減系數(shù)和抗拉抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)選用文獻(xiàn)[12—13]中的公式，如式(2)、(3)所示。

(2)

式中：Ec,T是高溫下混凝土的彈性模量；Ec是常溫下混凝土的彈性模量。

(3)

式中：fc,T是高溫下混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度；fc是常溫下混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度。

鋼筋在高溫下的彈性模量折減系數(shù)則選取澳大利亞規(guī)范AS4100[14]。

(4)

式中：ET是高溫下鋼筋的彈性模量；E是常溫下鋼筋的彈性模量。

3.3 煙囪風(fēng)振分析結(jié)果

本節(jié)對煙囪模型施加x方向水平風(fēng)荷載，對煙囪進(jìn)行持續(xù)30 s風(fēng)振響應(yīng)分析，得到圖7～8，分別為第30 s時(shí)煙囪整體水平位移曲線和第30 s時(shí)煙囪整體等效應(yīng)力曲線。

圖7 第30 s時(shí)煙囪整體水平位移曲線

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)荷載作用下煙囪結(jié)構(gòu)自下而上，其水平位移逐漸變大，因此我們需要重視風(fēng)荷載對煙囪頂部位移的影響。

通過圖8可以看出，180 m煙囪的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在煙囪高度約80 m處，之后最大應(yīng)力值隨著高度升高逐漸變小。

圖8 第30 s時(shí)煙囪整體等效應(yīng)力曲線

3.4 煙囪受到風(fēng)振與溫度耦合作用的結(jié)果

本部分在得到不考慮溫度的風(fēng)振響應(yīng)分析結(jié)果后，同時(shí)引入第二部分中溫度場的計(jì)算結(jié)果，選取煙囪筒壁頂點(diǎn)內(nèi)表面溫度達(dá)到100 ℃時(shí)的整體溫度場數(shù)據(jù)作為預(yù)應(yīng)力場，導(dǎo)入風(fēng)荷載分析模型中，用來模擬煙囪工作時(shí)受高溫?zé)煔庥绊懚a(chǎn)生的升溫過程。同時(shí)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)保持熱分析與力學(xué)分析的網(wǎng)格精度不變。由于混凝土與鋼筋在高溫下其力學(xué)性能勢必會發(fā)生改變，因此有必要再次對模型進(jìn)行高溫作用下的風(fēng)振響應(yīng)分析。由此得到圖9～11所示煙囪在x方向下的頂點(diǎn)水平位移、速度、加速度曲線。

圖9 煙囪頂點(diǎn)水平位移時(shí)程圖

圖10 煙囪頂點(diǎn)水平速度時(shí)程圖

圖11 煙囪頂點(diǎn)水平加速度時(shí)程圖

從圖9～11可以看出，考慮風(fēng)與溫度耦合作用后，煙囪頂點(diǎn)的位移曲線、速度曲線與加速度曲線會產(chǎn)生明顯的差異。不考慮溫度效應(yīng)時(shí)，煙囪頂點(diǎn)位移極值為0.091 m，速度極值為0.017 5 m/s，加速度極值0.036 8 m/s2，而在混凝土內(nèi)壁達(dá)100 ℃時(shí)，煙囪頂點(diǎn)位移極值為0.179 9 m，速度極值為0.032 9 m/s，加速度極值0.053 5 m/s2。

同樣根據(jù)上述的計(jì)算方法，將混凝土頂點(diǎn)內(nèi)壁達(dá)到120、140 ℃時(shí)的溫度場數(shù)據(jù)，導(dǎo)入模型進(jìn)行分析，得到的煙囪頂點(diǎn)水平位移、速度、加速度極值數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 煙囪頂點(diǎn)風(fēng)振響應(yīng)極值表

從表4可以看出，在煙囪頂點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)一步升溫至140 ℃后，煙囪頂點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)波動(dòng)幅度進(jìn)一步增大，其頂點(diǎn)位移極值為0.194 9 m，速度極值為0.048 3 m/s，加速度極值0.130 0 m/s2。

4 結(jié)語

本文針對某高聳鋼筋混凝土煙囪進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)研究。首先對煙囪工作時(shí)的傳熱過程進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，計(jì)算其溫度場，得到煙囪整體的溫度場數(shù)據(jù)和混凝土層內(nèi)表面的升溫曲線。隨后利用AR濾波法獲得了煙囪的風(fēng)速時(shí)程。最后，通過計(jì)算煙囪內(nèi)壁在3種不同高溫工況下的風(fēng)振響應(yīng)，與不考慮溫度作用時(shí)的風(fēng)振模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。得到的分析結(jié)果表明：

1)依據(jù)煙囪風(fēng)振響應(yīng)結(jié)果可知，煙囪頂部水平位移最大，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中底部。

2)高溫作用下的風(fēng)振響應(yīng)與常溫時(shí)的相比，煙囪頂點(diǎn)的位移、速度和加速度顯著增加。

3)在高溫下，隨著溫度進(jìn)一步升高，煙囪頂點(diǎn)的位移、速度和加速度呈現(xiàn)出增大的趨勢。

可以發(fā)現(xiàn)，高溫對煙囪結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能產(chǎn)生了不利影響。因此在設(shè)計(jì)煙囪等類似結(jié)構(gòu)時(shí)，需要從多角度考慮，確保結(jié)構(gòu)的安全性，尤其需要重視煙囪的隔熱性能。