30 m自立式钢烟囱结构设计*

高　飞，阚　阳

(大峘集团有限公司，江苏 南京　211112)



30 m自立式钢烟囱结构设计*

高飞，阚阳

(大峘集团有限公司，江苏 南京211112)

以凌源钢铁公司某工程为实例，阐述了30 m等截面自立式钢烟囱的设计方法、特点以及设计中应当注意的问题。采用软件编制计算程序，对自定义尺寸的自立式钢烟囱进行计算、对比，最终确定其设计截面，望对自立式钢烟囱的结构设计有一定的参考作用。

钢烟囱； 自立式； 结构设计

1　工程概况

凌源钢铁公司某套筒窑搬迁工程，根据工艺设计专业要求设置钢烟囱，烟囱高度30 m，直径2.316 m，最高烟气温度40 ℃；基本风压0.55 kN/m2,地面粗糙度为B类,地震设防烈度7度,地震加速度0.1g,地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类。

2　设计要点

2.1材料选用

钢烟囱分为塔架式、拉索式、自立式烟囱。根据工程条件，结合实际情况，本设计采用自立式钢烟囱。钢烟囱、检修平台、旋转爬梯的材料均采用Q235B，其质量应符合现行国家标准GB/T 700-2006《碳素结构钢》的规定。

2.2荷载与作用

(1) 烟囱的荷载与作用。a)恒荷载：结构自重、土压力、拉线的拉力。b)活荷载：风荷载、烟气温度作用、检修荷载、平台活荷载、地震作用、地基沉降等。

(2) 风荷载作用。a)本工程的基本风压是0.55 kN/m2。b)自立式钢烟囱，当其坡度不大于2%时，应根据雷诺数的不同情况进行横方向风振验算；并应符合以下规定：用于横风向风振验算的雷诺数、临界风速和烟囱顶部风速，应按GB50051-2013《烟囱设计规范》的公式计算。当雷诺数小于3×105，且烟囱顶部风速大于临界风速时，自立式钢烟囱可不计算亚临界横风向共振荷载，当雷诺数不小于3.5×106，且1.2倍的烟囱顶部风速大于临界风速时，应验算其共振响应，当雷诺数不小于3×105且不大于3.5×106时，可不计算横风向共振荷载。在验算横风向共振时，应计算风速小于基本设计风压工况下可能发生的最不利共振响应。

(3) 地震作用。a)抗震设防烈度为6度和7度时，可不计算竖向地震作用；8度和9度时，应计算竖向地震作用。b)水平地震作用可按现行国家标准GB50011-2010《建筑抗震设计规范》规定的阵型分解反应谱法进行计算。

2.3计算要点

(1) 自立式钢烟囱的直径d和对应位置高度h之间的关系应根据强度和变形要求，经过计算后确定，并应满足h≤30d的要求；否则应采取措施，譬如扩大烟囱下部直径或采取减震措施等。

(2) 自立式钢烟囱设计时，应进行下列计算：a)弯矩和轴力作用下，钢烟囱强度计算。b)弯矩和轴力作用下，钢烟囱局部稳定性验算。c)弯矩和轴力作用下，钢烟囱整体稳定性验算。d)地脚螺栓最大拉力计算。e)钢烟囱底座基础局部受压应力计算。f)烟道入口孔洞应力计算。

(3) 钢烟囱的筒壁最小厚度应满足下列要求：a)烟囱高度不大于20 m时，筒壁最小厚度为4.5+C(mm)。b)烟囱高度大于20 m时，筒壁最小厚度为6+C(mm)。其中，C为腐蚀厚度裕度，有隔热层时取C=2 mm，无隔热层时取C=3 mm。

(4) 有隔热要求时，钢烟囱应设置隔热层。

(5) 为避免钢烟囱出现共振现象，在钢烟囱上部应设置破风圈。

(6) 钢烟囱对防腐要求比较严格，应按规范要求进行防腐设计。

(7) 在荷载的标准组合效应作用下，钢烟囱任意高度的水平位移不应大于该点高度的1/100。

(8) 烟道入口孔洞上、下应设置加强环，并在加强环之间沿烟囱周圈设置加劲肋。

(9) 钢烟囱亦应根据需要设置清扫孔、测量孔、旋转钢梯及检修平台等。

3　工程实例

3.1计算程序简介

(1) 设计根据《建筑结构荷载规范》、《建筑抗震设计规范》、《高耸结构设计规范》和《烟囱设计规范》等进行。

(2) 本程序中，强度及稳定计算为烟囱底部数据。

(3) 烟囱长细比按悬臂构件计算，故长度系数取2。

(4) 钢烟囱的自振周期计算对整个计算十分关键，对常规的断面可根据规范或结构动力学公式计算，复杂的情况可用MIDAS Gen建模对比。

3.2计算实例

利用编制的计算程序，对本工程直径2.316 m，高度30 m自立式等截面钢烟囱进行反复计算、对比，最终确定其设计截面。为了节约用钢量，采用变截面的设计方法，烟囱下部(高度19 m)的筒壁厚度采用16 mm，烟囱上部(高度11 m)的筒壁厚度采用10 mm；充分利用了材料的性能，做到既安全又经济。烟囱材料均采用Q235B；检修平台宽度1000 mm，均布恒荷载1.5 kN/m2，均布活荷载3 kN/m2；烟道入口孔洞宽1255 mm，高1738 mm，壁厚10 mm；烟囱底部锚栓直径36 mm，材料选用Q235B。

3.3计算分析

3.3.1横风向风振计算

雷诺数Re=6900vd=5.29×106；

式中St为斯托罗哈数；T1为结构构件的第1阵型自振周期；μH为烟囱顶部H处风压高度变化系数；ω0为基本风压。

由于Re>3.15×106,且1.2×Vh>VCR,所以不计算横风向共振。

3.3.2竖向地震计算

本工程抗震设防烈度7度，不计算竖向地震作用。

3.3.3截面验算

a.强度计算：

式中N为与M相应轴向压力设计值；M为钢烟囱水平计算截面最大弯矩设计值；Ai为计算截面处的净截面面积；Wti为计算截面处的净截面抵抗拒。

b.局部稳定验算：

式中Et为温度作用下刚才的弹性模量；ti为计算截面处筒壁厚度；k为烟囱筒体几何缺陷折减系数；di为i截面钢烟囱外直径。

c.整体稳定验算：

式中φ为焊接圆烟囱截面轴心受压构件稳定系数；NEx为欧拉临界力。

3.3.4烟囱底部螺栓计算

螺栓数量n=24个；锚栓直径42 mm，材质Q235B。螺栓所受最大拉力

式中M为烟囱底部最大弯矩设计值；n为地脚螺栓数量；d0为地脚螺栓所在圆直径。

3.3.5基础局部受压应力计算

基础混凝土局部压应力

由于σcbt<ωβ1fct,所以满足要求。

式中At为钢烟囱与混凝土基础的接触面积；W为钢烟囱与混凝土基础的接触面截面抵抗拒；ω为荷载分布影响系数；β1为混凝土局部受压时的强度提高系数；fct为混凝土在温度作用下的轴心抗压强度设计值；σcbt为钢烟囱在混凝土底座处产生的局部受压应力。

3.3.6烟道入口孔洞应力计算

孔洞应力：

式中N为洞口截面处轴向力设计值；M为洞口截面处弯矩设计值；A0为洞口补强后水平截面面积；W0为洞口补强后水平截面最小抵抗拒；αk为洞口应力集中系数。

3.3.7烟囱顶部位移计算

烟囱顶部位移：

式中q为计算截面以下均布活载设计值；l为计算截面处高度；EI为计算截面处抗弯刚度；H为钢烟囱顶部高度。

3.3.8材料用料统计

本工程钢材总用量为27.5 t，螺栓总用量为0.38 t。

4　结束语

采用编制的计算程序对自立式钢烟囱可以进行结构快速优化设计，全面考虑并充分利用材料的性能，做到既经济又合理。利用此程序进行结构优化设计的钢材总量比传统设计方法设计的钢材总量节约20%左右，本设计优化效果显著。

设计中应结合工程实际和业主要求，合理选择钢烟囱的结构形式。在钢烟囱的设计中，一定要注意每个细节，忽视细节设计都有可能造成不良后果；相反注重细节设计，却能更好地进行优化设计，做到安全、经济、合理。

[1]GB50051-2013.烟囱设计规范[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2012.

[2]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].北京：中华人民共和国建设部，2003.

[3]GB50135-2006.高耸结构设计规范[S].北京：中华人民共和国建设部，2006.

[4]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2010.

[5]GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2012.

2016-01-22

高飞(1987—)，男，助理工程师。电话：13951961867

TU233;TU973.1+3