拉索-塔架组合式单筒钢烟囱结构设计探讨

刘双凤

摘 要：钢烟囱结构形式根据高度和直径之比确定，对于高径比超过30的钢烟囱不适宜采用自立式[1]，宜采取拉索式或塔架式，但是对于高度较高，管径相对较细的单管钢烟囱，单纯采用二者之一时存在一定的局限性，高径比较大的钢烟囱采用纯拉索结构存在难以控制烟囱顶水平位移和烟囱整体的稳定，而塔架式结构存在一定的塔架高宽比限制，即便调整好塔架的高宽比满足烟囱的计算后，塔架的用钢量也随之增加，经济性也不够理想。三种类型的烟囱各有优缺点，设计时根据具体情况加以选择。本文以某钢烟囱项目为背景，利用MIDAS软件建立了静力计算模型，分析拉索-塔架组合式單筒钢烟囱在风荷载作用下结构受力及位移结果，为同类设计提供参考依据。

关键词：MIDAS;拉索-塔架组合式单筒钢烟囱;结构受力

在拉索-塔架组合式单筒钢烟囱中，底部钢结构塔架与上部钢绞线拉索共同作为受力结构，协调变形。底部塔架以上钢烟囱和拉索共同受力，上部拉索分担一部分水平力，控制烟囱顶部的水平位移，塔架以上钢筒体受弯和拉索受拉组合受力，而塔架高度范围内，钢筒体和塔架变形协调，位移同步，钢塔架作为竖向桁架，主要分担一部分由风荷载作用下钢烟囱产生的水平力和倾覆弯矩，使之转化为塔架的轴力。

1 分析参数

本文利用MIDAS大型有限元分析软件，对一直径2.8m，高度65米的钢烟囱建立了整体模型，设置2层拉索和底下局部3层塔架，边界条件按铰接连接处理，拉索单元设置为索单元，仅承受拉力，选取以下计算工况进行受力分析;同时取纯拉索烟囱和纯塔架烟囱以及自立式烟囱的独立模型，比较分析了其它模型和目标模型在受力和位移上的区别。

2 分析结果

由于钢烟囱自重较轻，主要受水平荷载影响，竖向荷载及温度荷载对其水平侧移影响较小，温度荷载作用下考虑高温下钢材强度会降低，因此强度允许值有一定折减，但是对于这几种结构类型的烟囱，位移和强度影响都是差不多的，都是只有筒壁承受高温，因此不用于不同烟囱结构类型的结果比较。对于钢烟囱而言，由于自重轻，因此地震荷载对钢烟囱水平侧移的影响也比较小。

取拉索-塔架组合式单筒钢烟囱模型在各种荷载工况的水平位移计算结果：

从上表可以得出，影响钢烟囱水平位移的最大因素是风荷载，其余工况荷载作用下的水平位移很小。目标模型在风荷载作用下的最大水平位移为186mm，小于允许值H/100[2]，位移符合规范要求，对比不同结构支撑类型的钢烟囱水平位移时，可仅考虑风荷载作用下的位移结果比较。

为了方便对比结果，其余模型仅考虑支撑条件的不同，构件截面和材质以及构件设置的间距均不改变。纯拉索钢烟囱模型相比拉索-塔架组合式单筒钢烟囱模型只是简单的去掉底层的塔架，而纯塔架模型则是去掉拉索，将塔架设置到烟囱顶，塔架柱间距以及截面不改变，自立式则是去掉所有支撑条件，各种模型在风荷载作用下的计算位移结果如下表：

由上面表格可以看出，位移最大的是自立式模型，由于其水平刚度较小，整个结构“细长”，高径比较大，因此水平荷载作用下其位移最大。对于纯塔架模型与纯拉索模型来说，水平位移接近，前者依靠塔架提供侧向支撑，塔架作为竖向桁架，抗侧刚度比自立式得到明显提高，后者模型相比前者较“柔”，依靠几根拉索就大幅限制了烟囱的水平位移，材料性能得到更好的发挥，这种轻柔结构大大节约了烟囱的造价。对于拉索-塔架组合式单筒钢烟囱与纯拉索烟囱而言，两者水平位移差异还是明显，前者位移比后者小，造价介于二者之间。

在同一个基本荷载组合工况（1.2恒+1.4Wx）下，烟囱筒壁应力比较如下表：

由上表可看出，自立式钢烟囱由于自身承受水平力引起的倾覆弯矩，没有抗侧力结构分担其受力，故而底部应力最大。其余三种模型筒壁应力计算结果接近，说明不同支撑条件作用下，支撑结构能否有效抵抗水平力产生的弯矩并将其转化为桁架的轴力或者拉索的拉力，从而减少筒壁的倾覆弯矩，合理的布置支撑条件使得筒壁受力变小，使之受力合理，“物尽其才”。

通过上述对比，对于不同支撑条件的钢烟囱，相同塔架柱距的前提下，拉索-塔架组合式单筒钢烟囱能够使烟囱的侧移更小，烟囱用钢量相比纯塔架式要少，造价经济。

3 结语

对钢烟囱，底部局部塔架与上部拉索共同参与受力。在做单筒钢烟囱时，自立式钢烟囱通常需要加大底部直径[3]以使得顶部位移更小，这样基础的直径也增大，烟囱用钢量也大，而对于纯拉索式烟囱，使用高度不宜过高，否则要多加几层拉索以控制烟囱顶部位移，进而增加了拉索基础的数量，对于纯塔架烟囱，有着高宽比的要求，一般不大于8，塔架过高的高宽比影响着烟囱顶部位移以及塔架柱底拔力值大小，从而影响基础的大小。所以对于高径比较高，又对经济性要求高的钢烟囱进行设计时，拉索-塔架组合式单筒钢烟囱是个不错的选择方案。

参考文献

[1]烟囱设计规范GB50051-2013  2013.05 .01

[2]烟囱设计规范GB50051-2013  2013.05 .01

[3]中国冶金建设集团包头钢铁设计研究总院 烟囱工程手册 中国计划出版社2004.07