多管式烟囱矩形钢筋混凝土外筒受力性能分析

薛瑜照

（中国航空规划设计研究总院有限公司， 北京 100120）

0 引言

不同于火力发电厂传统的圆形烟囱，垃圾焚烧发电厂多采用矩形烟囱，从而可以进行丰富多样的外立面设计，使得烟囱成为垃圾焚烧发电厂甚至当地城市的一个标志性建筑。本文就安徽省宣城市某生活垃圾焚烧发电厂的烟囱设计为例，进行矩形钢筋混凝土外筒的受力性能分析。

1 工程概况

本工程采用多管式烟囱，由两个钢内筒和矩形钢筋混凝土外筒组成。钢筋混凝土外筒平面长7.7m，宽7m，高度为79 米，标高4.5m 处设有一个宽4m 高5 米的安装洞，两个烟道进口，以及门洞、窗洞等洞口。钢内筒下部支承于4.5 米处的混凝土平台上，另在外筒顶部77.5m 处设有型钢混凝土组合楼板检修平台，中间21m、42m、60m 有3 个钢平台，如图1。

2 模型建立

采用有限元分析软件Midas gen 对该烟囱钢筋混凝土外筒进行计算分析，混凝土标号为C30，侧壁厚度自下而上递减，分别为0.4m、0.35m、0.3m、0.25m，采用板单元来模拟混凝土侧壁，网格划分尺寸为0.5m，在洞口处适当减小网格划分尺寸。

2.1 地震荷载输入

在Midas gen 中输入地震反应谱函数和相应的反应谱荷载工况。根据《烟囱设计规范》，抗震设防烈度为6 度和7 度时，可不计算竖向地震作用，但本工程烟囱设有多个水平检修平台，并且钢内筒支承在混凝土平台上，故水平地震作用和竖向地震作用均应考虑。

2.2 风荷载输入

在Midas gen 中烟囱风荷载以面荷载的形式施加，根据《建筑结构荷载规范》，风荷载计算公式为

3 整体计算结果分析

3.1 振型和周期分析

通过计算得出烟囱的前4 阶振型型见图2。

Mode1 Mode2 Mode3 Mode4图1 烟囱平面布置图 图2 烟囱前4 阶振型

从图2 可以看出第1 振型和第2 振型为平动，第3 振型和第4 振型为扭转，计算到第33 振型时，x 方向和y 方向的质量参与系数达到90%，满足规范要求。

3.1 风荷载作用下位移分析

烟囱在风荷载作用下呈现典型的弯曲变形，位移随高度增加而线性增大，表明烟囱在50 年一遇风压作用下处于弹性变形状态，并且最大位移＜1/100,满足规范要求。

3.2 风荷载作用下轴力分析

总轴力随高度增加几乎呈线性下降，而单位长度墙体截面轴力在大约5m 高度时最大，是因为钢筋混凝土外筒在4.5m 处有一个较大的安装洞，使得此高度范围内烟囱横截面大幅度减小，从而单位长度墙体截面轴力增大。

3.3 风荷载作用下应力分析

烟囱在风荷载作用下筒壁等效应力自下而上逐渐减小，而在安装洞口周围等效应力最大，如图3 所示。这是因为洞口处应力集中导致的。最大等效应力为3532.5KN/m2,即3.532N/mm2，满足规范要求。

图3 筒壁等效应力图

4 不同工况下结果比较

以x 方向风荷载和x 向地震这两种工况为例，烟囱顶部在风荷载和地震作用下的位移分别为28.4mm 和16.1mm，可知在风荷载作用下烟囱的变形要比在地震作用下大。而在地震作用下烟囱在安装洞、门窗洞口周围以及角部的应力集中更加明显。可以得出在烟囱墙身配筋计算时风荷载起控制作用，而烟囱角部和洞口周围的约束边缘构件配筋和构造则由地震作用下相应部位的内力控制。

5 附加弯矩的影响

在单工况x 向风荷载作用下的烟囱顶部位移为28.4mm，而在工况“恒荷载+x向风荷载”作用下的位移为38.7mm，要明显大于只在风荷载作用下烟囱的位移，这是由于烟囱在风荷载作用下发生水平位移，这样在烟囱重力作用下就会产生附加弯矩，由于附加弯矩的影响，烟囱筒身的变形就进一步增大。在实际工程中，由于钢内筒在在烟囱外筒平台上的偏心布置、基础倾斜等原因等都会产生附加弯矩，在烟囱结构设计中，附加弯矩不可忽略。

6 结论

通过对多管式烟囱矩形钢筋混凝土外筒的有限元分析，得出结论：

（1）混凝土烟囱在风荷载作用下处于弹性变形状态，顶部位移最大，底部轴力最大，安装洞周围等效应力最大。

（2）烟囱在风荷载作用下的变形和内力都要比地震荷载下明显，筒身墙体配筋受风荷载控制，但洞口周围及角部应力集中处需根据地震作用效应进行加强。

（3）附加弯矩对烟囱的变形影响较大，设计中不可忽略。