三管钢烟囱的风荷载计算及相关设计

王敦科 王 丽

三管钢烟囱的风荷载计算及相关设计

王敦科 王 丽

根据工程实例,介绍了三管烟囱风荷载的计算思路和理论,着重阐述了风荷计算模型的建立和体型系数的计算,简要陈述了验算横风向风振的几个公式,最后通过得出的风荷载验算了烟囱位移,确定了烟囱壁厚。

三管烟囱,风荷载,位移

1 设计概况

某钢铁厂设计三管排气烟囱,呈正三角形布置,烟囱直径2.4m,高 58.5m,见图 1。该烟囱排放废气为常温,无腐蚀性。厂址位于城市郊区,基本风压 ω0=0.35 kN/m2。

2 风荷载计算

烟囱荷载主要包括：结构自重、风荷载、地震作用、裹冰荷载等,由于厂址位于 6度设防区,可不进行截面抗震验算,风荷载计算是很重要的一项,以此来确定烟囱壁厚和基础所受的弯矩。风荷载标准值计算式：

其中,μs为风荷载体型系数;βz为高度 z处的风振系数;μz为风压高度变化系数;ω0为基本风压,kN/m2。

βz,μz均与烟囱高度有关,烟囱所受风荷载随高度增加而增加,因此,将烟囱分成 6个单元,具体模型见图 2。每个单元 hi上近似按均布荷载考虑,则各个单元的风振系数和风压高度变化系数与该单元的高度 Hi有关

当构筑物受风力作用时,可能发生顺风向风振,也可能发生横风向风振,横风向风振都是由不稳定的空气动力形成,其性质远比顺风向更为复杂,包括旋涡脱落、颤振、扰振等。如二者同时发生,则应考虑其组合后的荷载总效应。

其中,SC为横风向荷载效应;SA为顺风向荷载效应。

2.1 确定体型系数

GB 50051-2002烟囱设计规范[1]5.2.3条规定,当排烟筒为两个或两个以上时,排烟筒的风荷载体型系数应由风洞试验确定,条文说明中介绍了上海东方明珠电视塔的风洞试验,并根据各国试验结果总结出：三个排烟筒的整体风荷载体型系数,可取：

其中,φ为迎风面阻塞率,如图 3所示,φ=2d/D。本例 d=2.4m,D=6.4+2.4=8.8m,代入式(3),可得 φ=0.545,μs=1.218。

2.2 顺风向荷载

《建筑结构荷载规范》[2](2006年版)7.4.1条规定,对于高度大于 30m且高宽比大于 1.5的房屋和基本自振周期T1＞0.25 s的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构,均应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响。根据《建筑结构荷载规范》[2](2006年版)附录E.1.1,高耸结构的自振周期：

其中,H为构筑物高度,钢结构可取高值,所以,取钢烟囱的自振周期 T1=0.013×58.5=0.76 s＞0.25 s,应验算顺风向风振影响。

高度z处的风振系数：

其中,ξ为脉动增大系数,与 ω0T21有关,可查《建筑结构荷载规范》(2006年版)表 7.4.3;v为脉动影响系数,由于结构迎风面宽度较大,B=8.8 m,H/B=6.65,可查《建筑结构荷载规范》(2006年版)表 7.4.4-3;φz为振型系数,仅考虑第一振型,可查《建筑结构荷载规范》(2006年版)附录表 F.1.2;μz为风压高度变化系数,由 Hi查表。计算结果见表 1,烟囱顺风向荷载见图 4。

表1 烟囱风荷计算参数及结果

2.3 横风向荷载

圆形截面结构可根据雷诺数Re的大小进行横风向风振校核：

其中,v为计算所用风速,可取临界风速 vcr值;d为结构截面半径。

表2 烟囱各点位移计算结果 m

其中,Ti为结构振型i的自振周期,可取基本自振周期 T1;St为斯托罗哈数,对圆形截面结构取 0.2。

经计算,vcr=15.8m/s,Re=2.6×106,可知 3×105＜Re＜3.5×106,发生超临界范围的风振,可不作处理。

3 位移控制

烟囱在风荷载作用下将发生侧移,为了烟囱的正常使用,必须将位移控制在允许范围内。图 4中,烟囱的分段分布荷载可转化为分段集中荷载,如图 5所示。根据结构力学力法原理,烟囱上某一点的位移由所有作用在烟囱上的荷载共同影响产生,Δi=∑Fjδij,δij可根据《建筑结构静力计算手册(第 2版)》[3]第五节——柱位移计算公式计算。取烟囱壁厚 14mm,EI(三管)=2.93×107kN m2,[Δ]=H/100,烟囱各点处的位移见表 2,可知 Δi＜[Δ],满足要求。

[1]GB 50051-2002,烟囱设计规范[S].

[2]GB 50009-2001,建筑结构荷载规范(2006年版)[S].

[3]《建筑结构静力计算手册》编写组.建筑结构静力计算手册[M].第 2版.北京：中国建筑工业出版社,1998.

The w ind load calculation and related design for three chim ney of steel

WANG Dun-ke WANG Li

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three chimney of steel,wind load,disp lacement

TU761.2

A

1009-6825(2011)09-0062-02

2010-11-29

王敦科(1981-),男,助理工程师,武汉理工大学设计研究院一所,湖北武汉 430070

王 丽(1981-),女,硕士,工程师,武汉理工大学设计研究院一所,湖北武汉 430070