李永輝 江曉瑜 張 娟 王躍林 張玉樸 許文斐 徐 丹

(1．中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西710032；2．西安科技大學(xué)，陜西710054；3．衡水科技工程學(xué)校，河北053000；4．太原理工大學(xué)，山西030024)

塔架式鋼煙囪受力分析

李永輝1，2江曉瑜3張 娟1王躍林4張玉樸1許文斐1徐 丹1

(1．中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西710032；2．西安科技大學(xué)，陜西710054；3．衡水科技工程學(xué)校，河北053000；4．太原理工大學(xué)，山西030024)

通過(guò)對(duì)塔架式煙囪的各種載荷分析，用有限元方法對(duì)煙囪及框架進(jìn)行受力分析，得出煙囪及框架各點(diǎn)的受力情況，并對(duì)其各部分位移情況進(jìn)行分析，合理選取框架結(jié)構(gòu)和型材，保證鋼結(jié)構(gòu)支架的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及設(shè)計(jì)的合理性。

鋼煙囪；受力分析；風(fēng)載荷；有限元

目前，我國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼行業(yè)內(nèi)，轉(zhuǎn)爐煤氣一次除塵系統(tǒng)煙囪多采用鋼結(jié)構(gòu)煙囪，既提高了建設(shè)速度，又節(jié)約了建設(shè)成本。同一車(chē)間幾座煙囪同時(shí)建設(shè)時(shí)，幾根煙囪可以連成一個(gè)整體，互為支撐，但是由于轉(zhuǎn)爐數(shù)量或場(chǎng)地限制而需要單獨(dú)建立單根煙囪時(shí)，就需要對(duì)煙囪進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)框架支撐。本文通過(guò)對(duì)塔架式煙囪的各種載荷分析，用有限元分析方法對(duì)煙囪及框架進(jìn)行受力分析，得出煙囪及框架各點(diǎn)的受力情況，并對(duì)其各部分位移情況進(jìn)行分析。

1 塔架式煙囪計(jì)算的理論依據(jù)

1.1 結(jié)構(gòu)及設(shè)備自重

結(jié)構(gòu)及設(shè)備自重按荷載規(guī)范的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算塔架自重時(shí)，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)板、法蘭盤(pán)及焊縫的重量，一般可按塔架構(gòu)件的自重乘以系數(shù)1.15～1.20。

1.2 活荷載

塔架上的檢修平臺(tái)、休息平臺(tái)以及航空障礙燈維護(hù)等平臺(tái)上的荷載均屬活荷載。檢修平臺(tái)活荷載可根據(jù)實(shí)際情況確定，但不得小于3 kN/m2，頂層平臺(tái)應(yīng)考慮積灰荷載，休息平臺(tái)單個(gè)桿件集中荷載不小于1 kN，均布荷載可取2 kN/m2。

1.3 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載對(duì)塔架結(jié)構(gòu)起著決定性作用。由風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力約占總內(nèi)力的80%～90%。因此，在塔架鋼煙囪設(shè)計(jì)中，盡量減少風(fēng)阻力，是一個(gè)很重要的問(wèn)題。

各種截面型鋼的體型系數(shù)取值為μs=1.3，對(duì)于圓形截面桿件，其體型系數(shù)取決于雷諾數(shù)。一般情況下，當(dāng)圓形截面桿件的直徑較小時(shí)，取μs=1.2；直徑較大，且H/d≥25時(shí)，取μs=0.6。因此，圓形截面桿件對(duì)風(fēng)的阻力最小。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在風(fēng)荷載計(jì)算中，所有連接板的擋風(fēng)面積不予單獨(dú)計(jì)算，僅將桿件總面積予以適當(dāng)增大。對(duì)于圓鋼結(jié)構(gòu)和鋼管結(jié)構(gòu)，系數(shù)增大，體型系數(shù)可取1.1，對(duì)于圓鋼組合結(jié)構(gòu)和型鋼結(jié)構(gòu)，系數(shù)可取1.15～1.2。

對(duì)于高聳結(jié)構(gòu)除應(yīng)進(jìn)行順風(fēng)向荷載計(jì)算外，還應(yīng)進(jìn)行橫風(fēng)向振動(dòng)驗(yàn)算。

1.4 裹冰荷載

在空氣濕度較大的地區(qū)，當(dāng)氣溫急劇下降時(shí)，結(jié)構(gòu)物的表面會(huì)有結(jié)冰現(xiàn)象，即成為裹冰。結(jié)冰主要取決于建筑物所在地區(qū)的氣象條件，即空氣濕度的大小和氣溫的高低。寒冷的地區(qū)不一定是裹冰最厚的地方，較溫暖的地方也不一定是裹冰較薄的地方。在同一地區(qū)離地面越高，裹冰越厚。一般，裹冰是在無(wú)風(fēng)或弱風(fēng)時(shí)發(fā)生的。在計(jì)算時(shí)，應(yīng)與中等強(qiáng)度的風(fēng)同時(shí)考慮，組合系數(shù)取ψcw=0.6。裹冰時(shí)的溫度按-5℃計(jì)算。

1.5 溫度荷載

塔架平臺(tái)與煙囪本體之間的連接一般采用滑道連接，縱向可自由變形?；缿?yīng)留有足夠的橫向膨脹間隙，以保證橫向自由變形。塔架結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和溫度變形一般可以不予考慮。

1.6 地震荷載

在抗震設(shè)防區(qū)則應(yīng)考慮地震荷載。

根據(jù)各種因素所占比重，設(shè)備結(jié)構(gòu)、自重及風(fēng)載荷是影響煙囪及框架穩(wěn)定性的主要因素，本文采用ANASYS對(duì)塔架式煙囪進(jìn)行受力分析，以設(shè)備重量為邊界條件進(jìn)行模擬分析。

2 計(jì)算基本數(shù)據(jù)

塔架式鋼煙囪本體總高為75 m，底部標(biāo)高0 m，頂部標(biāo)高+75 m。筒身直徑下部為2.8 m，上部為2 m，管壁逐漸變??；鋼結(jié)構(gòu)框架為6 m×6 m方框架，底部選用350 mm×350 mm的H型鋼，頂部選用250 mm ×250 mm的H型鋼，中間加斜撐加固。

按華北地區(qū)50年一遇10 m高處最大風(fēng)速V=26.7 m/s，由此計(jì)算出基本風(fēng)壓為：

空氣密度為1.25 kg/m3；地面粗糙度為B類(lèi)。

3 風(fēng)載計(jì)算

3.1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

將煙囪按高度分成8段，每段高度為10 m，最上面一段5 m，每段重心作用于高度的中心點(diǎn)，如圖1所示。

3.2 鋼煙囪的自振周期

按GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，鋼煙囪的第一自振周期為：

T1=(0.007～0013)H

式中，T1為煙囪結(jié)構(gòu)的第一自振周期，單位為s；H為煙囪離地面的總高度，取H=75 m。

則T1=0.525 s～0.975 s

鋼結(jié)構(gòu)自振周期取最高值，即得鋼煙囪自振周期約為1 s。

3.3 順風(fēng)時(shí)作用于煙囪各分段中點(diǎn)處的風(fēng)壓

風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值為：

WK=βzμsμzW0

式中，βz為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；W0為基本風(fēng)壓，W0=0.45 kN/m2。

圖1 煙囪計(jì)算簡(jiǎn)圖Figure 1 Calculating diagram of the chimney

表1 各點(diǎn)風(fēng)力計(jì)算Table 1 Wind force calculation of various point

注：(1)βz、μs、μz各系數(shù)是從《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》按插值法計(jì)算得出的。 (2)WK是作用于煙囪外表面的均布荷載值，是按前面分段算出的。 (3)迎風(fēng)面積F是根據(jù)煙囪外形計(jì)算的。

各點(diǎn)風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

作用于各分段中點(diǎn)處的風(fēng)壓水平集中力Pi為：

Pi=WkF

各點(diǎn)順風(fēng)向風(fēng)荷載水平力標(biāo)準(zhǔn)值為：

P8=15.24 kN

P7=26.47 kN

P6=21.79 kN

P5=14.42 kN

P4=11.18 kN

P3=7.91 kN

P2=6.144 kN

P1=3.164 kN

3.4 鋼煙囪橫風(fēng)向各點(diǎn)的風(fēng)壓

鋼煙囪橫風(fēng)向各點(diǎn)所受風(fēng)壓如表2所示。

表2 煙囪橫風(fēng)向各點(diǎn)所受風(fēng)壓Table 2 Wind pressure of various point on the chimney under transverse wind load

4 有限元計(jì)算

4.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

塔架及煙囪的三維模型如圖2所示，采用六面體網(wǎng)格劃分如圖3所示。

4.2 計(jì)算載荷

考慮塔架及煙囪的自重，并對(duì)煙囪柱面施加壓強(qiáng)載荷，載荷數(shù)值如表3所示。

圖2 煙囪及塔架三維模型Figure 2 Three dimensional model of the chimney and frame

圖3 煙囪及塔架網(wǎng)格劃分局部圖Figure 3 Local grid division of the chimney and frame

表3 施加載荷數(shù)值Table 3 Loading values

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1 變形量

從圖4可以看出，最大變形量發(fā)生在煙囪頂部，約為0.215 m。

4.3.2 等效應(yīng)力

從圖5可以看出，忽略局部尖點(diǎn)的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力發(fā)生在上部支架與下部支架的結(jié)合位置(A處)，數(shù)值約為150 MPa，按Q235鋼強(qiáng)度考慮，安全系數(shù)為1.6，此處應(yīng)加強(qiáng)。此處等效應(yīng)力最大，由于塔架此處為兩種型號(hào)的型材搭接處，屬于尖端受力，因此實(shí)際搭接時(shí)注意加強(qiáng)連接處，即可消除此處的最大應(yīng)力，即A處無(wú)限加強(qiáng)，則框架成為一體時(shí)，最大應(yīng)力(外側(cè)為拉力，內(nèi)側(cè)為壓力)應(yīng)在整體框架的最底部，因此只要塔架型鋼連接處足夠加強(qiáng)，則A處的最大應(yīng)力可不考慮。

圖4 煙囪及塔架變形量Figure 4 Deformation amount of the chimney and frame

圖5 煙囪及塔架等效應(yīng)力Figure 5 Equivalent stress of the chimney and frame

另外，支架下部(B處)等效應(yīng)力也較大，約為60 MPa，可見(jiàn)支架的根部受力也較大，與理論推導(dǎo)相同。等效應(yīng)力的動(dòng)載系數(shù)取2，此處按Q235鋼強(qiáng)度計(jì)算，安全系數(shù)約為2左右，滿足煙囪及框架的強(qiáng)度要求。

C處為煙囪根部，等效應(yīng)力較大，約為66 MPa，D、E兩處為支架對(duì)煙囪的支撐位置，等效應(yīng)力也較大，約為75 MPa。也滿足煙囪及框架的強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)塔架式鋼煙囪及塔架的受力分析，得出支撐煙囪的塔架最底端受力最大，且塔架與基礎(chǔ)之間的地腳螺栓要選取強(qiáng)度較大的，且基礎(chǔ)載荷要增大安全系數(shù)。塔架型鋼之間連接處要注意加強(qiáng)強(qiáng)度，并選取合適強(qiáng)度的型材，以保證鋼結(jié)構(gòu)支架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過(guò)受力分析，還能在煙囪建立不同高度和直徑時(shí)，合理選取框架結(jié)構(gòu)和型材，達(dá)到在保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下減輕設(shè)備重量。

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50051—2013，煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)劃出版社，2013.

[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部和中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)疫總局.GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[3] 李永輝.轉(zhuǎn)爐煤氣一次除塵濕法改干法的工程應(yīng)用實(shí)例[J].中國(guó)重型裝備，2016(3)：25-26.

[4] 鮑巍.煙囪鋼塔架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].低溫建筑技術(shù)，2015(7)：78-80.

[5] 張樹(shù)明.40 m煙囪塔架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].科學(xué)之友(B版)，2009(1):6-8.

[6] 孫婧.淺談塔架式鋼煙囪的設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論研究，2013(20).

編輯 陳秀娟

Force Analysis of Framed Steel Chimney

Li Yonghui,Jiang Xiaoyu,Zhang Juan,Wang Yuelin,Zhang Yupu,Xu Wenfei,Xu Dan

Various loads of framed steel chimney have been analyzed and meanwhile force analysis on the chimney and frame has been conducted by finite element method to get force situation of each point for the chimney and frame and analyze displacement situation of the corresponding parts,further matching frame structure and material have been selected to ensure strength,stability and design reliability of steel structure frame.

steel chimney; force analysis; wind load; finite element

2016—12—23

李永輝(1981—)，男，工程師，主要從事環(huán)保設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)。

TU392

A