范高杰， 王子茹

（大連理工大學土木水利學院，遼寧 大連 116024）

煙囪屬于特種結(jié)構(gòu)的一種，是工業(yè)建筑尤其是火電廠建筑中的重要構(gòu)筑物，結(jié)構(gòu)形式與作用、荷載獨特，與一般建筑結(jié)構(gòu)有許多不同之處，如需考慮溫度影響，在內(nèi)力分析時還需考慮附加彎矩等，其設(shè)計工作量大。采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法費時、繁瑣。隨著計算機技術(shù)在設(shè)計界的應(yīng)用，煙囪的計算機輔助設(shè)計也得到了開展。文獻[1]是以《煙囪設(shè)計規(guī)范》GBJ51—83 為計算依據(jù)，以DELPHI5 為開發(fā)工具實現(xiàn)單筒式鋼筋混凝土煙囪的計算機輔助設(shè)計；文獻[2]是PKPM 系列軟件中的一個模塊，采用Visual C++ 和Visual Fortran 混合編程，以自主產(chǎn)權(quán)的CFG 圖形支撐庫為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了對單筒式鋼筋混凝土煙囪上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)的計算和施工圖的自動生成。文獻[3]主要針對單筒式鋼筋混凝土煙囪的計算機輔助設(shè)計，并提出對于套筒式煙囪計算時，需要將內(nèi)筒的荷載按照相關(guān)規(guī)定計算好以后，以附加荷載的形式輸入。從已有的資料看，目前國內(nèi)在煙囪CAD 的研發(fā)上，主要是以單筒煙囪設(shè)計為主要研究開發(fā)對象。隨著環(huán)保要求的提高，目前新建的電廠均需脫硫或考慮脫硫條件。電廠脫硫后，對煙囪的腐蝕將會加劇。為防腐蝕需要，煙囪內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)分開的套筒式和多管式煙囪已在電廠廣泛采用[4]。因此，研究套筒式煙囪的計算機輔助設(shè)計勢在必行。本文以Visual C++6.0 為編程語言，以AutoCAD 為圖形支撐平臺開發(fā)，以《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051―2002)為計算依據(jù)，對套筒式煙囪的CAD 系統(tǒng)的開發(fā)作了研究，實現(xiàn)了套筒式煙囪設(shè)計從結(jié)構(gòu)分析、配筋計算到施工圖繪制的一體化。

1 套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)包括3 個模塊，即前處理模塊、計算模塊和后處理模塊。其中前處理模塊實現(xiàn)模型的建立和即時預覽。計算模塊實現(xiàn)對套筒式煙囪的計算。后處理模塊實現(xiàn)施工圖的自動繪制和計算書的自動生成。套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)主要模塊功能及實現(xiàn)

1.2.1 前處理模塊

此模塊用于實現(xiàn)套筒式煙囪計算模型的建立及即時預覽。

計算模型是通過往AutoCAD 數(shù)據(jù)庫的塊表記錄中寫入實體的方式來建立。 用CAcUiTabMainDialog 類來構(gòu)造標簽式對話框的主對話框，用CAcUiTabChildDialog 類來構(gòu)造每個標簽子對話框。首先，是在對話框中輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)會對所輸入的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)合法性檢查，然后根據(jù)參數(shù)建立相應(yīng)的實體，并將建立的實體寫入圖塊，實現(xiàn)計算模型的建立。其中，三維模型的建立主要通過兩種方式：① 創(chuàng)建一系列的常規(guī)三維實體，然后對這些實體進行布爾運算(AcDb：：kBoolUnite（并集）、AcDb：：kBoolIntersect（交集）和AcDb：：kBoolSubtract（差集）三種類型)實現(xiàn)三維模型的建立；② 建立多段線，形成面域，通過對面域的拉伸、旋轉(zhuǎn)生成自定義形狀的三維實體。以下的程序說明斜撐式支承平臺中的鋼筋混凝土承重環(huán)梁三維實體的主要構(gòu)建過程：

環(huán)梁創(chuàng)建效果如圖2 所示。

圖2 斜撐式支撐平臺環(huán)梁效果圖

對計算模型的即時預覽由CPreview 類來實現(xiàn)，該類是從AcGsView 中派生。把建立的圖塊加載在對話框的CStatic 控件區(qū)域，實現(xiàn)對計算模型的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、拖動等預覽操作。

1.2.2 計算模塊

采用了面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，將一系列的計算（煙囪自重計算、溫度計算、風荷載計算、地震荷載計算、附加彎矩計算等）都通過類的封裝來實現(xiàn)，將計算過程中的重要系數(shù)、參數(shù)設(shè)計為類的成員變量，將計算過程中涉及到的主要的函數(shù)設(shè)為虛函數(shù)，這樣繼承與多態(tài)性還可以大大提高程序的可重用性，對不同形式的煙囪采用不同的派生子類，使得軟件的后續(xù)開發(fā)和維護都更為方便，同時對數(shù)據(jù)的安全性也有了良好的保障。系統(tǒng)運行過程中，每一個子模塊的計算都通過標簽式對話框?qū)⒚恳徊接嬎愕慕Y(jié)果在對話庫中的表格中體現(xiàn)出來，因此在計算過程中，設(shè)計人員可以人工干預計算結(jié)果，系統(tǒng)會對所用戶輸入的數(shù)據(jù)重新進行驗算。

此模塊包含了4 個子模塊，在此闡述各個子模塊計算時關(guān)鍵計算方法如下：

（1） 磚砌排煙筒計算模塊

套筒式煙囪之磚內(nèi)筒設(shè)置于各層平臺上，其地震效應(yīng)類似于樓層上放置一個設(shè)備。根據(jù)《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于“樓層上設(shè)備地震作用計算”的有關(guān)規(guī)定進行計算[4-5]。

對于煙囪其風荷載效應(yīng)包含兩部分，即順風向荷載和橫風向荷載。對于順風向荷載，同樣也包含兩部分，即平均風靜荷載和脈動風引起的動荷載。由于鋼筋混凝土外筒的存在，平均風靜荷載不直接作用在磚內(nèi)筒上，因此可不考慮這部分荷載對內(nèi)筒的影響。對于風荷載中的動力部分,應(yīng)考慮振動效應(yīng)對內(nèi)筒的影響[4]。

一般磚煙囪由于高度較小、截面較大，并且設(shè)計時控制其截面偏心距不大于截面核心距，因此《煙囪設(shè)計規(guī)范》(GB50051―2002)沒有考慮附加彎矩影響。但對于套筒式鋼筋混凝土煙囪，由于煙囪較高，煙囪變形大，并且每節(jié)磚內(nèi)筒的高度都在25m 左右，平臺之間的層間位移較大，因此，有必要考慮磚內(nèi)筒的附加彎矩。

（2） 斜撐式支撐平臺計算模塊

斜撐式支撐平臺是由鋼筋混凝土承重環(huán)梁、鋼支柱、平臺鋼梁、平臺剪力撐和平臺鋼格柵板組成。

此模塊實現(xiàn)的計算主要有：

1） 平臺鋼梁計算；

2） 鋼筋混凝土承重環(huán)梁計算，主要包括環(huán)梁荷重計算、環(huán)梁承載能力極限狀態(tài)計算、環(huán)梁正常使用極限狀態(tài)計算；

3） 鋼支柱計算，主要包括鋼支柱長度和柱頂荷載計算、鋼支柱強度驗算、鋼支柱穩(wěn)定驗算。

計算方法詳見參考文獻[6]，不再贅述。 （3） 鋼筋混凝土承重外筒計算模塊

在考慮了各層斜撐式支撐平臺、內(nèi)煙道和內(nèi)煙道處鋼筋混凝土承重外筒與磚砌排煙筒間夾層平臺傳來的附加荷載后，煙囪鋼筋混凝土承重外筒的計算和單筒式鋼筋混凝土煙囪的計算完全相同。僅僅是將煙氣溫度由原來的煙氣最高溫度改為內(nèi)外筒間夾層溫度，煙囪筒身保溫隔熱層和內(nèi)襯磚砌體厚度按照0mm 考慮即可。承重外筒計算時，平臺活荷載根據(jù)不同計算目的按照規(guī)范中的計算原則分別加以計算[6]。

斜柱下端處外筒受的附加環(huán)向拉力計算

外筒局部抗壓強度驗算

外筒抗沖切強度驗算

1.2.3 后處理模塊

此模塊包含兩個部分：計算書與文件存取、施工圖紙的自動生成。

（1） 計算書與文件存取

工程文件的存取和計算書的生成通過序列化技術(shù)來實現(xiàn)。系統(tǒng)生成txt 格式計算書。

（2） 施工圖紙的自動生成

一套完整的煙囪施工圖紙通常包含復雜的工程信息量。為了實現(xiàn)動態(tài)生成圖紙，需要將復雜圖形分塊和參數(shù)化，再對塊進行拼裝。AutoCAD 數(shù)據(jù)庫中的帶屬性定義的塊表記錄和帶屬性的塊引用能滿足解決此類問題的要求。為此，在圖紙的自動生成過程中，大量運用了AutoCAD 數(shù)據(jù)庫中的圖塊技術(shù)。在此以鋼筋混凝土外筒豎向配筋塊為例說明圖紙動態(tài)生成主要技術(shù)，圖3 中除了標注部分的文字之外的所有文字都為屬性對象。主要實現(xiàn)過程如下：

創(chuàng)建塊參照與前一函數(shù)創(chuàng)建的塊表記錄相關(guān)聯(lián)，并添加到模型空間；

圖3 鋼筋混凝土外筒（一節(jié)）豎向配筋圖塊

創(chuàng)建塊表記錄遍歷器，遍歷指定塊表記錄中的實體

2 工程實例

2.1 設(shè)計資料

采用《煙囪工程手冊》套筒式煙囪計算算例，煙囪高240m，煙囪頂部出口內(nèi)直徑D0=7m，設(shè)計基本風壓W0=0.35kN/m2，抗震設(shè)防烈度7 度，場地類別為Ⅱ類，地面粗糙程度為B 類。排煙筒內(nèi)煙氣溫度Tg1=145℃，鋼筋混凝土承重外筒與磚砌排煙筒間夾層溫度Tg2=41.5℃+10 =51.5℃ ℃（夏季工況）和Tg2=10℃（冬季工況），夏季極端最高溫度 Ta=41.5℃，冬季極端最低溫度Ta=-3.7℃。套筒式煙囪筒身有鋼筋混凝土承重外筒、磚砌排煙筒（含耐酸砂漿封閉層和保溫隔熱層）、斜撐式支撐平臺、積灰平臺、內(nèi)煙道和其他附屬設(shè)施組成。斜撐式支撐平臺是由鋼筋混凝土承重環(huán)梁、鋼支柱、平臺鋼梁、平臺剪力撐和平臺鋼格柵板組成，支撐平臺沿筒身高度25m 間距設(shè)置，共9 層，標高分別為30.0m、55.0m、80.0m、105.0m、130.0m、155.0m、180.0m、205.0m和230.0m。

2.2 計算機輔助設(shè)計

2.2.1 啟動程序

套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)本質(zhì)為一.arx 動態(tài)鏈接庫，啟動AutoCAD 后選擇“工具”-＞“加載應(yīng)用程序”，選擇chimney.arx，運行程序，套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)運行界面如圖4 所示。

圖4 套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)菜單和工具欄

2.2.2 建立模型、預覽

在總體信息中輸入煙囪總高、頂部內(nèi)直徑、溫度信息、地震、風荷載信息；在材料信息中輸入材料的重力密度、導熱系數(shù)；外筒分節(jié)信息中輸入外筒參數(shù)，如分層高度、筒壁厚度、坡度、混凝土強度等級等；在磚內(nèi)筒分節(jié)信息中輸入平臺總數(shù)、各個平臺高度、各分節(jié)磚煙囪砌體厚度、封閉層、保溫層厚度、筒壁坡度等；支撐平臺、洞口信息中輸入各平臺鋼梁長度、鋼支柱長度、選用規(guī)格、鋼筋混凝土環(huán)梁寬度、高度、角度、重心半徑、各個分節(jié)洞口寬度、高度等。通過前處理模塊實現(xiàn)計算模型的建立及預覽如圖5 所示。

2.2.3 計 算

前處理完成之后點擊“計算”會實現(xiàn)對煙囪的計算，通過“磚內(nèi)筒-支撐平臺-外筒”順序顯示計算結(jié)果，各個模塊顯示其中涉及到的計算，如自重計算、風荷載、動力特征、地震荷載、溫度計算、附加彎矩等的詳細計算信息，通過計算模塊實現(xiàn)對煙囪動力特征的計算數(shù)據(jù)如圖6 所示。

2.2.4 生成施工圖

點擊“鋼筋混凝土外筒計算”對話框（見圖6）中“施工圖”按鈕，實現(xiàn)施工圖的自動繪制，結(jié)果如圖7（筒身布置圖）、圖8（0m─80m 煙囪豎向配筋圖）、圖9（斷面圖）所示。

圖5 煙囪建模、預覽

圖6 煙囪計算

圖7 筒身布置圖

圖8 0m─80m 煙囪豎向配筋圖

圖9 斷面圖

3 結(jié) 束 語

基于ObjectARX 的套筒式煙囪CAD 系統(tǒng)的開發(fā)，根據(jù)煙囪最新規(guī)范，將煙囪設(shè)計的前處理、結(jié)構(gòu)分析和后處理集為一體，解決了從內(nèi)筒到外筒到支撐平臺的自動導荷計算的問題，并考慮了磚內(nèi)筒置于平臺上時的特殊計算，最終實現(xiàn)了磚砌排煙筒內(nèi)筒式套筒煙囪的上部結(jié)構(gòu)從計算模型建立到配筋計算到施工圖紙的自動繪制。實例表明，該系統(tǒng)具有界面友好、操作簡單、計算準確可靠、繪圖迅速等特點。該系統(tǒng)的研制為套筒形式的煙囪設(shè)計提供了一種較為快捷、方便的設(shè)計方法，拓展了煙囪CAD 的應(yīng)用范圍，為提高我國煙囪設(shè)計的自動化水平做出了有益探索。

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[6] 牛春良. 煙囪工程手冊[M]. 北京： 中國計劃出版社, 2004. 362-374.

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