异形烟囱的整体计算方法研究

李文峰　（安徽省电力设计院，安徽　合肥　230601）



异形烟囱的整体计算方法研究

李文峰（安徽省电力设计院，安徽合肥230601）

烟囱作为火力发电厂内的标识性构筑物，随着国内烟囱设计技术的发展及后工业化设计进程的加快，越来越多的新建烟囱开始采用非常规的圆形外形，但国内相关规程规范都没有对异形烟囱给出具体的计算及构造规定。依托实际工程，通过烟囱的整体有限元分析过程，对计算中模型建立、荷载添加、分析求解控制、结果提取等问题进行研究。

异形；悬吊内筒；附加弯矩；几何非线性

1　工程概况

自上海漕泾电厂所采用的异形烟囱落成之后，随着后工业化设计进程的快速发展，国内火力发电厂烟囱越来越多的采用异形外筒形式，本文通过对某异形烟囱整体计算过程进行探讨，可作为同类烟囱设计的参考。

本依托工程为某2×660WM电厂“8”字形外筒悬吊式内筒多管烟囱，烟囱外筒顶部高度为238.500m，内筒出口高度为240.000m。外筒采用钢筋混凝土结构，底部60m截面为圆形，顶部约80m为“8”字形截面，中部为过渡截面，其中在13m～20m处有输煤栈桥穿过烟囱，水平烟道进口开孔底标高为33.000m；内筒为钛钢复合板材料，烟气进口直径为7.0m，出口直径6.5m，整体悬挂于外筒上，其外形如图1。

基本风压:0.50kN/m2（百年一遇），B类。地震参数：地震设防烈度6度，地震加速度0.05g；多遇地震影响系数最大值αmax为0.04，特征周期0.35s；设计地震分组：第一组；场地类别：Ⅱ类。

2　烟囱整体建模及本构关系

整体模型的建立主要是对结构特性进行描述，即通过建模来真实模拟结构的质量矩阵、刚度矩阵等，模型及本构关系准确与否直接关系到计算结果的可信度。本文借助Midasgen有限元软件对依托工程进行计算，下文对建模过程及本构关系设置给出探讨。

图1　依托工程立面及剖面简图

2.1模型的建立

单元类型选择：采用有限元对烟囱分析时，较多采用板壳单元和梁单元进行分析。对常规的圆形烟囱，可采用环形渐变截面梁单元进行模拟，但对异形烟囱，采用梁单元无法真实反映烟囱的特性，采用厚板单元能真实的对实际工程进行表述。单元材料及单元特性：对板单元，其单元特性反映为板单元的厚度与材料，并按规范对材料定义阻尼比，根据依托工程情况，烟囱模型材料以84m为分界线，分别采用C40 和C35强度等级的混凝土，筒壁厚度由700mm逐渐递减为300mm。

图2　依托工程有限元模型及立面效果

在开孔处及截面突变处，结构的受力比较复杂，容易出现应力集中现象，根据实际需要，在烟囱施工孔、烟道孔等孔洞处及中间渐变段标高区段内，对有限元单元进行细分，以求得更加精确的结果。普通截面有限元划分尺寸约为1.250m左右，既保证了计算精度，又能与后期风荷载的添加相对应。

2.2本构关系分析

对普通的线弹性分析，本构关系可采用软件内定的材料特性，但由于烟囱在分析计算时，需要考虑裂缝造成的塑性变形影响，按照《烟囱设计规范》的设定[1]，需要对烟囱筒身混凝土材料进行刚度折减，异形烟囱附加弯矩是根据几何非线性求解间接计算，折减系数的选取直接影响到结构变形分析，进而决定附加弯矩的计算结果[2]。

烟囱设计规范编制组在规范中对刚度折减系数的规定与截面受力偏心率有关，而对异形烟囱来说，规范中并无规定，其截面偏心率也不易界定，在工程实例分析中，计算考虑采用刚度折减系数的低限值。反映到具体的分析过程，需要在材料定义中，对所选用的C35及C40内置混凝土材料的弹性模量进行修改。

3　荷载工况输入及求解分析

3.1荷载分类施加

根据烟囱规范规定，对套筒式烟囱，主要的荷载有永久荷载、活荷载、风荷载、吊装荷载、附加弯矩、地震荷载等。针对本依托工程，内筒采用悬吊式，将内筒重量归入活荷载范畴，根据烟囱规范规定，本依托工程可以不考虑地震荷载，仅需要满足抗震构造即可，由风荷载作为水平力控制荷载。本模型主要荷载的输入方式如下。

3.1.1永久荷载

在烟囱计算中，永久荷载即为结构的自身重量，在模型有限元建立后，模型的质量分布已经确定，仅需要施加负Z向加速度即可。

3.1.2活荷载

活荷载主要是指不同功能各层平台的活荷载，整体模型未模拟各层平台，在烟囱的设计中，各层平台的钢次梁较多，其受荷作用到筒壁上时分布也较均匀，故在计算中，将各层平台的荷载总和平均分配至该层平台所处的外筒有限元节点上。

3.1.3风荷载

异形烟囱的风荷载不同于常规烟囱，对常规圆形烟囱，只需要根据《烟囱设计规范》中的规定分别对顺风向和横风向效应进行分析即可，风荷载可以根据《建筑结构荷载规范》的要求进行计算，其求解较常规。但对于异形烟囱来说，其体型系数没有资料可依，风振现象也不易计算，按照荷载规范的要求，需要进行风洞试验。根据风洞试验成果，可以得出不同风向作用下各标高处的风载值，在荷载施加时，选取荷载较大的方向进行输入，同标高节点均分输入[3]。

3.1.4附加弯矩

附加弯矩可以表述为重力在水平荷载引起变形上产生的高阶弯矩。《烟囱设计规范》中给出的描述是结构因风荷载、日照温差、基础倾斜等原因产生侧向变形，结构自重或竖向地震作用在水平截面产生的弯矩。附加弯矩在《烟囱设计规范》中有明确的公式可以参照，但规范中的公式仅适用于圆形截面，对异形截面烟囱来说并不适用。《烟囱设计规范》中也给出通用的计算公式。

式中：Gj为筒身j质点的重力；uj、ui分别为筒身i、j质点的最终水平位移。

从上式中可以看出，《烟囱设计规范》中给出的通用公式所求附加弯矩为二阶弯矩，对高阶附加弯矩不予考虑。规范中的公式旨在为手算提供便捷，且高阶附加弯矩相对二阶弯矩一般较小，但通过有线元的分析可以轻松求得较准确的高阶附加弯矩值，结果更加逼近真实值[4]。

从附加弯矩的定义看出，附加弯矩并非一个确定的荷载，在有限元分析过程中，是借助于几何非线性分析来求得其作用效应。而其初始水平位移荷载则需要施加到结构上，即风荷载、日照温差、基础倾斜位移等。

3.2几何非线性求解控制

非线性分析时，需要在计算前打开所进行的非线性分析类型，本文的计算，不考虑材料非线性和状态非线性问题，仅讨论几何非线性，在分析控制中打开几何非线性开关。非线性各种求解是一个迭代计算的过程，为使方程求解收敛更加容易，将荷载分为多个荷载步，在每个荷载步内进行多次迭代，控制收敛容差，待方程的解满足收敛容差后，单一荷载步的求解即完成，逐步求出最终解。求解过程中涉及到荷载步的数量、子步迭代次数控制、收敛容差控制三个方面内容，经过多次试算，荷载步控制为4步，子步迭代次数控制为50次以内，收敛容差采用位移控制0.02。经过分析，其计算过程时长相对合理，结果也较可靠。

4　计算结果

有限元分析能够得出全面的分析数据，从结果中，可以较直观的查看筒壁的内力分布规律及应力集中现象，另外，也可以得到结构位移的准确数值，以查对是否满足相关规范规定。有限元分析结果最终旨在进行具体的工程设计，烟囱具体设计主要涉及到基础、外筒、内筒等方面，其设计内容决定整体计算分析所需提取的结果类别。

从整体计算结果来看，在进烟孔及穿栈桥孔处，外筒上存在一定的应力集中现象，设计中应对相关处进行加强，外筒壁厚相对整体截面尺寸来说尺寸较小，在受力复杂处及结构薄弱处，宜设置环梁来加强整体截面的刚性。烟囱筒身在顶部区段出现受拉区，为满足正常使用极限状态要求，顶部配筋相对下部可采用小直径小间距的配置方式。在悬吊平台和内筒吊装标高下方，筒壁内力相对复杂，参照以往悬吊内筒的设计经验，在悬吊平台处设置大环梁，从构造上可以使内筒荷载更加均布，利于外筒结构受力。

基础设计中，需要烟囱底部反力值，根据此值可直接利用《烟囱设计规范》中基础的计算公式进行地基及基础复核，值得提出的是，对悬吊式烟囱，采用环板基础要比圆板基础节省一定的工程量。

外筒设计中，由于国内规范并无相关的异形截面设计方式，根据相关文献，一般采用两种计算方法，一种是直接取截面延米单元体，视作压弯或拉弯构件设计；另一种是根据国外烟囱设计规范，编制异形截面配筋程序进行设计。计算中建议按两种方式统一复核，取用较大值作为设计依据[5][6]。

内筒设计中，依据国内设计规范，悬吊式内筒承受内筒自身荷载和外筒传递的协调位移荷载，需要根据计算分析结果提取相应止晃点位置的外筒位移，将内筒作为杆系结构进行分析。值得提出的是，用作内筒计算的外筒位移值，不能直接采用外筒承载力计算所选取的材料刚度折减系数，而需要一定程度的加大，以使内筒受荷更加真实。

5　结语

在没有相关规范可依的情况下，依托工程的顺利结顶，标志着本项目异形烟囱计算分析的可信度，本文中的论述可以作为后期类似工程的参考。

①基于《烟囱设计规范》中的设计原则，使用有限元工具对异形高耸烟囱整体分析从计算方法上是可行的。

②异形烟囱的分析，重点在于荷载的施加及附加弯矩的求解。对异形烟囱，其风荷载作用值需要进行风洞试验得出，附加弯矩需要通过几何非线性分析来实现，经过与线性分析对比，依托工程附加弯矩值约占基底总弯矩的15%左右，附加弯矩的求解直接关系到烟囱的结构安全。

③具体到烟囱各部位的设计，需要提取整体计算分析的相关结果，对外筒设计而言，建议使用整体截面计算与局部单元计算两种方法校核；对内筒设计而言，其止晃标高处相应位移需要采取不同于外筒承载力计算的折减系数。

[1]GB 50051-2012，烟囱设计规范[S].

[2]牛春良.烟囱设计手册[M].北京：中国计划出版社，2004.

[3]汤卓，王雪，束磊，吕令毅.210m高异形烟囱横风向动力响应研究[J].建筑结构，2010，40（2）：100-102.

[4]张玉峰，江文明，李超，张闪林.烟囱附加弯矩的精确计算方法[J].电力建设，2011，32（1）：72-75.

[5]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[6]邓志宁，黄东阳.高耸异型钢筋混凝土烟囱结构分析[J].低温建筑技术，2009（5）：63-65.

TU311.4

A

1007-7359(2016)03-0075-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.025

李文峰（1987-），男，安徽合肥人，毕业于武汉大学，硕士；工程师，主要从事电厂结构设计工作。