放散塔结构设计优化分析

潘天久，舒苏荀

（1.中冶南方工程技术有限公司，武汉 430223；2.武汉工程大学土木工程与建筑学院，武汉 430073）

1 引言

煤气放散塔是钢铁和化工工程中常见的一类结构，由放散管和支撑构件形成塔架。其高度通常在50 m 以上而平面尺寸较小，结构对侧向力作用敏感。煤气通过放散管放散燃烧时，在放散管中产生温度应力；同时放散管因温度变形被约束而在结构中产生内力。因此，水平力和温度应力对放散塔结构的设计起控制作用。工程中可利用放散管形成塔架，共同抵抗侧向力及温度应力；也可单独为放散管设置塔架支撑，放散管与塔架支撑采用滑道连接，不考虑放散管的刚度，塔架支撑为放散管提供侧向刚度。本文基于某一高炉粗煤气放散塔，建立工程中不同形式的放散塔模型，并基于模态分析进行结构的地震反应谱分析，比较不同结构形式的放散塔在自振周期、位移等动力响应方面的差异。

2 结构分析模型

某一高炉粗煤气放散塔结构，工艺设计为双管放散塔。高度50 m，设两层平台，顶部设备荷载为20 kN，煤气温度荷载100 ℃。该项目结构设计中，增设一根结构杆，与两根放散管通过十字支撑连接，形成十字支撑三管放散塔（模型1-1），现场实物图片见图1。同时，建立该双管放散塔的梁式三管塔架（模型1-2）、桁架支撑三管塔架（模型1-3），各组分析模型如图2所示。

图1 某高炉三管放散塔照片

图2 分析模型示意图

3 静力分析

依据GB 50135—2019《高耸结构设计标准》[1]，静力分析时采用如下组合：（1）1.2G+1.4W+0.98L；（2）1.35G+W+0.98L；（3）1.35G+T+0.98L+0.84W；（4）G+T+0.6W+0.7L；（5）G+L+0.6W；（6）G+W+0.7L。其中，G 为自重等永久荷载，W、T、L 分别为风荷载、温度作用和塔楼楼屋面或平台的活荷载。各组模型在基本组合1.2G+1.4W+0.98L 下的应力比分别见图3。

图3 各组模型应力比云图

由图3 可知，十字支撑三管放散塔（模型1-1）竖杆最大应力比为0.4；梁式三管塔架（模型1-2）中竖杆最大应力比为0.9；桁架支撑三管塔架（模型1-3）中竖杆最大应力比为0.6；梁式三管塔架（模型1-2）中竖杆最大应力比最大且3 根竖杆截面明显大于模型1-1 和模型1-3 中竖杆截面。梁式三管塔架构件总质量约为70 t，十字支撑三管放散塔总质量约为42 t，桁架支撑放散塔总质量约为50 t。在满足强度和变形的条件下，十字支撑三管放散塔耗钢量最小，桁架支撑放散塔耗钢量稍大于十字支撑三管放散塔，梁式三管放散塔耗钢量最大。十字支撑三管放散塔中支撑杆多，现场焊接工作量大。

4 模态分析

通过模态分析，可得出各组模型的自振周期和振型等结构基本性能参数，以对结构响应进行定性判断[2]。各组模型的前5 阶振型分别如图4 所示。

图4 各组模型振型和周期

对比各组模型的振型和周期，各组模型前两阶振型为平动，第3 阶振型为扭转。各组模型第1 阶振型基本周期适中，说明结构刚度合理。模型1-1 中T2/T1=0.995，结构两个主轴方向周期接近，说明两个主轴方向刚度均匀，抗震性能好。模型1-2 中T2/T1=0.837，模型1-3 中T2/T1=0.882，刚度比均小于模型1-1。模型1-3 中，T3/T1=0.799，说明抗扭能力满足规范要求；而模型1-1 和1-2 中，T3/T1均小于0.5，说明结构抗扭转能力较差。

综上，桁架支撑三管放散塔沿X 向和Y 向刚度分布均匀，且抗扭能力优于十字支撑三管放散塔和梁式三管放散塔。

5 抗震性能分析

依据GB 50191—2012《构筑物抗震设计规范》[3]，放散塔结构的抗震计算可采用振型分解反应谱法。输入抗震设防烈度为8 度，场地类别为Ⅱ类，对各组模型进行反应谱分析，得到其在多遇地震作用下的动力响应。选取各组模型在地震工况的顶部位移和基底反力进行比较，见表1。

表1 各组模型地震作用下基底剪力及顶点位移表

依据GB 50135—2019《高耸结构设计标准》，地震作用下高耸结构的位移限值为ΔU/H≤1/100。各组模型的变形均满足要求，模型1-1 位移最小，说明结构刚度最大；模型1-2 位移最大，结构刚度最小。为满足变形要求，模型1-2 需要通过增加竖管和横梁截面，导致模型1-2 的结构自重明显大于模型1-1 和模型1-3，因此，模型1-2 中地震作用下基底反力明显增大。模型1-1 和模型1-3 的基底反力和顶点位移接近，说明十字支撑三管放散塔与桁架支撑三管放散塔具有相近的抵抗地震作用的能力。

6 结论

本文基于某一高炉粗煤气放散塔，建立十字支撑三管放散塔、梁式三管放散塔、桁架支撑三管放散塔模型，经静力计算和反应谱分析得出如下结论：

1）在满足强度和变形的条件下，十字支撑三管放散塔耗钢量最小，桁架支撑放散塔耗钢量稍大于十字支撑三管放散塔，梁式三管放散塔耗钢量最大。十字支撑三管放散塔支撑杆件数量多，现场焊接工作量大。

2）桁架支撑三管放散塔沿X 向和Y 向刚度分布均匀，且抗扭能力优于十字支撑三管放散塔和梁式三管放散塔。

3）十字支撑三管放散塔刚度最大，梁式三管放散塔刚度最小。梁式三管放散塔地震作用下基底反力大于十字支撑三管放散塔和梁式三管放散塔。