中國電力建設(shè)工程咨詢有限公司 楊 云

1 電廠煙囪結(jié)構(gòu)形式介紹

電廠中的煙囪有多種形式，根據(jù)所采用的材料可分為磚煙囪、鋼筋混凝土煙囪、鋼煙囪。其中，鋼煙囪包括塔架式、自立式和拉索式三種形式。自立式鋼煙囪形式一般用于較低矮的煙囪，比較高大的鋼煙囪可采用塔架式煙囪，鋼煙囪比較細高時可采用拉索式煙囪。設(shè)計前應(yīng)根據(jù)建設(shè)方的設(shè)計要求、現(xiàn)場場地條件、經(jīng)濟因素等進行合理選型。

塔架式鋼煙囪是由筒身內(nèi)筒鋼與外支承鋼塔架組成的一種鋼煙囪。塔架式鋼煙囪的水平力可由塔架承受，鋼內(nèi)筒不承受水平力，從而能夠減小鋼內(nèi)筒的厚度，這樣可以減輕每節(jié)內(nèi)筒的重量，易于施工提升和頂升。但是塔架是鋼結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)件在工廠加工，數(shù)量較多，現(xiàn)場安裝量大。

套筒式鋼煙囪也是比較常用的鋼煙囪形式。外筒采用鋼筋混凝土，鋼內(nèi)筒懸吊或支承在外筒上，鋼筒體是防腐蝕排煙筒。具有構(gòu)造合理、構(gòu)件數(shù)量少、材料消耗低、造型簡潔美觀等優(yōu)點，但缺點是鋼筋混凝土外筒自重較大，抗震性能差。

拉索式鋼煙囪是由鋼筒和斜拉索共同組成結(jié)構(gòu)體系的鋼煙囪。當(dāng)煙囪高度與直徑之比大于20時，可采用拉索式鋼煙囪。

目前，國內(nèi)電廠采用鋼煙囪時，比較多數(shù)采用的結(jié)構(gòu)形式是鋼筋混凝土套筒式煙囪，也有多個已建的垃圾發(fā)電站采用塔架式鋼煙囪，其外形美觀，結(jié)構(gòu)簡潔，成為電廠建設(shè)中的一個亮點。寶鋼燒結(jié)廠鋼煙囪是我國自行設(shè)計、制作與安裝的第一座塔架式雙筒鋼煙囪，煙囪高200m，由兩座內(nèi)徑6m的筒身、外圍一座塔架組成[1]。在韓國和日本的大參數(shù)、高容量電廠也已經(jīng)采用這種煙囪。在我國垃圾發(fā)電站的建設(shè)中，一些去工業(yè)化設(shè)計的煙囪采用封閉的塔架式鋼煙囪，有必要對塔架式鋼煙囪的設(shè)計進行詳細的介紹。

2 塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

按照《煙囪設(shè)計規(guī)范》（GB50051-2013）中10.1.2條規(guī)定：鋼塔架及拉索計算可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50135-2019的有關(guān)規(guī)定進行[2]。

塔架式鋼煙囪的受力特點是多邊形鋼塔架主要承受外荷載，自立式鋼排煙筒和鋼塔架之間采用滑動連接，不承擔(dān)水平風(fēng)荷載和地震荷載。塔架整體上是豎向桁架，材料性能得到充分發(fā)揮。

在設(shè)計中主要是考慮以下幾種荷載組合：自重、活載、風(fēng)荷載和多遇地震荷載。進行塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計主要進行以下幾個方面：荷載作用和荷載組合計算、強度驗算、穩(wěn)定驗算、基礎(chǔ)計算等。

3 設(shè)計實例

3.1 工程概況

某工程為2×135MW的熱電聯(lián)產(chǎn)自備機組，兩臺鍋爐共用一座單內(nèi)筒煙囪。煙囪為脫硫不設(shè)GGH濕煙囪，入口煙氣溫度：正常運行（脫硫投入）工作溫度約45℃。鋼內(nèi)筒等內(nèi)直徑5m，頂標(biāo)高180m，內(nèi)筒采用鈦復(fù)合鋼板。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計基本條件

基本風(fēng)壓W0=0.60KN/m2（50年一遇），地面粗糙度類型為B類。設(shè)計使用年限為50年。抗震設(shè)防烈度為7度（0.15g），場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組?？拐鹪O(shè)防類別為乙類。

3.3 結(jié)構(gòu)選型

本工程鋼內(nèi)筒采用自立式鋼內(nèi)筒，內(nèi)徑5m，鋼板自上而下厚8～20mm。鋼內(nèi)筒支承于混凝土底座，同時每30m設(shè)一道檢修平臺，鋼塔架平臺與鋼排煙筒連接采用滑道式連接，在垂直方向鋼內(nèi)筒可自由變位，水平方向可傳遞水平力。塔架在水平向風(fēng)荷載和地震荷載作用下，類似底部受約束的懸臂梁。因此，塔架的設(shè)計總體按照懸臂式空間桁架設(shè)計。

本工程鋼內(nèi)筒等內(nèi)直徑5m，頂標(biāo)高180m。塔架采用四邊形，底盤寬度為整個塔高的1/4～1/8，即22.5～45m，取底盤寬度為32.5m。塔架上段坡度沿高度不變化，下段坡度沿高度變化。90m至180m塔架柱坡度i=0，塔架寬10m；0m至90m塔架柱坡度i=0.125，塔架寬10m～32.5m。

3.4 荷載計算

鋼煙囪及塔架設(shè)計主要考慮風(fēng)荷載及地震荷載，地震荷載與風(fēng)荷載的組合作用?！稛焽柙O(shè)計規(guī)范》（GB50051-2013）第5.2.2條規(guī)定：計算塔架式鋼煙囪風(fēng)荷載時，可不計入塔架與排煙筒的相互影響，可分別計算塔架與排煙筒的基本風(fēng)荷載。故將鋼內(nèi)筒的風(fēng)荷載按節(jié)點荷載作用在塔架節(jié)點上，然后在計算軟件中建立塔架并考慮塔架風(fēng)荷載。

風(fēng)荷載是高聳建構(gòu)筑物的主要側(cè)向荷載，且時常超過地震力而成為決定性荷載。瞬時風(fēng)速可分為平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速，風(fēng)對高聳結(jié)構(gòu)的作用也表現(xiàn)為順風(fēng)向的平均風(fēng)荷載、順風(fēng)向的脈動風(fēng)荷載及脈動風(fēng)引起的橫風(fēng)向共振[3]。我國規(guī)范采用平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù)βz的形式表達順風(fēng)向的平均風(fēng)荷載和脈動風(fēng)荷載，其綜合考慮了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的平均風(fēng)壓和波動風(fēng)壓引起的動力效應(yīng)。

《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》4.2.1條規(guī)定：垂直作用于高聳結(jié)構(gòu)表面單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計算[4]：

ωk=βzμsμzω0

其中，風(fēng)振系數(shù)βz=1+ξε1ε2。依據(jù)ω0T2=1.944查《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》表4.2.9-1可得ξ=2，查表4.2.9-2可得ε1（考慮風(fēng)壓脈動和風(fēng)壓高度變化的影響系數(shù)），查表4.2.9-2可得ε2（考慮振型和結(jié)構(gòu)外形的影響系數(shù)）。依據(jù)圓形截面，H/d＞25，取風(fēng)載體形系數(shù)μs=0.6。

計算得風(fēng)振系數(shù)βz以及風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk取值見表1。

表1 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk計算表

《煙囪設(shè)計規(guī)范》5.2.4條規(guī)定：對于圓形鋼筋混凝土煙囪和自立式鋼結(jié)構(gòu)煙囪，當(dāng)其坡度小于或等于2%時，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。

本工程雷諾數(shù)Re=69000νd==3.19X106，可不計算橫風(fēng)向共振荷載，但應(yīng)在構(gòu)造上采取防振措施。

3.5 地震作用分析

一般情況下，地震作用較相應(yīng)的風(fēng)荷載要小，塔頂位移和塔底應(yīng)力均由風(fēng)荷載控制，因此在高烈度區(qū)比如9度區(qū)，塔架式煙囪應(yīng)用前景更大[3]。根據(jù)現(xiàn)行荷載規(guī)范，地震組合中考慮風(fēng)荷載時，風(fēng)荷載的組合系數(shù)為0.2，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗低烈度區(qū)的塔架可不驗算地震作用。

3.6 結(jié)構(gòu)計算

塔架計算采用MIDAS軟件電算，在鋼塔架的節(jié)點上按節(jié)點荷載輸入鋼塔架的風(fēng)荷載及鋼內(nèi)筒的風(fēng)荷載。此外，因為電梯筒直徑、壁厚相對較小，為了簡化，可忽略電梯筒剛度，并將作用于電梯筒上的風(fēng)荷載分段傳到塔架節(jié)點上。計算鋼塔架時，除考慮自重荷載、風(fēng)荷載、地震作用外，還應(yīng)考慮平臺活荷載7～11KN/m3、施工荷載和檢修荷載。

塔架式鋼煙囪具體的尺寸及其桿件截面按表2進行設(shè)計，桿件應(yīng)力比控制在0.5～0.85。

表2 桿件截面表

3.7 計算結(jié)果分析

3.7.1 周期及振型方向

分析結(jié)果：主體結(jié)構(gòu)第一階固有頻率T1=1.815S，基本周期適中。T2/T1≈1，結(jié)構(gòu)兩方向剛度較均勻。但周期計算結(jié)果與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄F經(jīng)驗公式T=(0.007～0.013)H相比較小。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)分析計算結(jié)果重新計算風(fēng)荷載。

3.7.2 風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力云圖（軸力N）如圖1所示。

圖1 風(fēng)載內(nèi)力云圖

風(fēng)荷載作用下的位移見表3。

表3 風(fēng)荷載作用下位移

從表3可以看出，在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大位移和平均位移均小于規(guī)范要求的限值1/100。

3.7.3 地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

地震荷載作用下的位移見表4。

表4 地震作用下位移

從表4可以看出，在地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，結(jié)構(gòu)的最大位移和平均位移均小于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016年版）（GB50011-2010）中的彈性層間位移角限制θ＜[θe]=1/250。從風(fēng)荷載和地震荷載作用下塔架的位移可以看出，塔架結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的位移遠小于風(fēng)荷載作用下的位移，說明風(fēng)荷載是高聳結(jié)構(gòu)的決定性荷載。分析結(jié)果表明本工程塔架結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，在多遇地震作用下，位移均小于規(guī)范規(guī)定值，未出現(xiàn)明顯的薄弱層。

4 從工程技術(shù)方面比較塔架式鋼煙囪與鋼筋混凝土煙囪的優(yōu)缺點

煙囪結(jié)構(gòu)選型原則要考慮環(huán)境保護、安全運行、使用壽命、技術(shù)經(jīng)濟等。煙囪本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計還要考慮土建原始資料、工藝條件、材料供應(yīng)、施工技術(shù)等因素。

鋼筋混凝土鋼套筒式煙囪由鋼筋混凝土外筒和鋼排煙內(nèi)筒組成，鋼內(nèi)筒一般為等直徑自立式或懸掛式，與外筒全程脫開。其優(yōu)點是：鋼筋混凝土外筒剛度大，整體性好，易于成型；耐腐蝕性、耐火性、耐久性好。其缺點是：構(gòu)件斷面大、自重較重、抗裂性能差，一般現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工周期長，施工受外界影響較大，混凝土結(jié)構(gòu)一旦被破壞，修復(fù)困難等。

塔架式鋼煙囪的受力特點是多邊形鋼塔架主要承受外荷載，自立式排煙筒與鋼塔架之間采用滑動連接，不承擔(dān)水平風(fēng)荷載和地震荷載。其優(yōu)點是：施工周期比混凝土建筑施工周期可縮短一半，節(jié)能指標(biāo)高，鋼結(jié)構(gòu)屬環(huán)保型綠色建筑體系。鋼構(gòu)件可以工廠化生產(chǎn)，更易實現(xiàn)工業(yè)化、批量化生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)率。但是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在防腐、防火、后期維護等問題。

所以，從工程技術(shù)方面來說，采用鋼內(nèi)筒的鋼筋混凝土套筒式煙囪和塔架式鋼煙囪都是可行的，但是各有優(yōu)缺點。采用鋼內(nèi)筒的鋼筋混凝土套筒式煙囪斷面和自重較大，施工周期長；塔架式鋼煙囪采用環(huán)保型材料，但要注意做好鋼構(gòu)件的防腐、防火，需定期維護。

5 從經(jīng)濟造價方面比較塔架式鋼煙囪與鋼筋混凝土煙囪的優(yōu)缺點

塔架式鋼煙囪的缺點是：鋼結(jié)構(gòu)耗鋼量高，造價高。一般電廠采用混凝土外筒煙囪，而不采用塔架式鋼煙囪的主要原因是經(jīng)濟造價較高。

本工程煙囪塔架為四邊形塔架，高180m，塔架底盤為32.5×32.5m，頂部為10×10m，除平臺走道板外全部采用鋼管結(jié)構(gòu)承重。塔架鋼結(jié)構(gòu)總重量約2100t，塔架綜合工程造價約1638萬元。

而類似的鋼筋混凝土套筒式煙囪的外筒筒壁混凝土約5900m3，外加檢修平臺等的鋼梁總重約230t，外筒綜合工程造價約1064萬元。

從表5可以看出，塔架式鋼煙囪的塔架造價要比鋼筋混凝土套筒式煙囪的外筒造價高很多，但是塔架式鋼煙囪自重較小，而鋼筋混凝土套筒式煙囪的外筒混凝土自重較大，所以計算煙囪基礎(chǔ)和地基處理費用時，塔架式鋼煙囪基礎(chǔ)要比鋼筋混凝土套筒式煙囪基礎(chǔ)的造價低。

表5 外筒造價比較（7度0.15g，fak=250kPa）

對兩種煙囪的經(jīng)濟性進行比較時，應(yīng)該綜合考慮該地區(qū)的地震設(shè)防烈度、廠址的工程地質(zhì)條件等外部條件。但總的來說，一般情況下塔架式鋼煙囪的造價是要比同等條件下鋼筋混凝土套筒式煙囪的造價高。

6 結(jié)論

塔架式鋼煙囪對于具有較高環(huán)境和造型要求的機組來說，是可行的，在高烈度地區(qū)具有一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，但造價較高，經(jīng)濟性較差。在國外的大參數(shù)、高容量電廠也已經(jīng)采用這種煙囪。對于國外工程，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展水平較高，人工工資高，工期緊張時，塔架式鋼煙囪有一定的優(yōu)勢。

目前從我國國情看，鋼筋混凝土套筒式煙囪的應(yīng)用范圍極為廣泛，并且在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)，仍將為我國電廠煙囪的主要結(jié)構(gòu)型式。但是隨著我國可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入，在全面踐行碳達峰碳中重大戰(zhàn)略的建設(shè)新征程中，塔架式鋼煙囪的應(yīng)用范圍也一定會越來越廣泛。