某鋼廠自立式鋼煙囪結構設計

魏 保 敏

(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

某鋼廠自立式鋼煙囪結構設計

魏 保 敏

(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

以45 m高自立式鋼煙囪為例，詳細闡述了自立式鋼煙囪的設計方法、特點以及設計中應注意的問題，并通過軟件編制計算程序，對自立式鋼煙囪進行計算、比較，最終確定了其設計斷面，對自立式鋼煙囪的結構設計有一定的參考作用。

自立式，鋼煙囪，結構設計

1 工程概況

某鋼廠除塵工程，根據通風專業要求需設置煙囪，煙囪高度45 m，直徑4.6 m，最高煙氣溫度40 ℃；基本風壓0.35 kN/m2,地面粗糙度為B類，地震設防烈度6度，地震加速度0.05g，地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。

2 設計要點

2.1 材料選用

鋼煙囪分為塔架式、拉索式、自立式煙囪。根據工程條件，結合實際情況，本設計采用鋼煙囪。鋼煙囪、檢修平臺、旋轉爬梯的材質均采用Q235B，其質量應符合現行國家標準GB/T 700碳素結構鋼的規定。

2.2 荷載與作用

1)煙囪的荷載與作用：a.恒載：結構自重、土壓力、拉線的拉力。b.活載：風荷載、煙氣溫度作用、檢修荷載、平臺活荷載、地震作用、地基沉降等。

2)風荷載作用。a.本工程的基本風壓為0.35 kN/m2。b.自立式鋼煙囪，當其坡度不大于2%時，應根據雷諾數的不同情況進行橫風向風振驗算；并應符合下列規定：用于橫風向風振驗算的雷諾數、臨界風速和煙囪頂部風速，應按《煙囪設計規范》的公式計算。當雷諾數小于3×105，且煙囪頂部風速大于臨界風速時，自立式鋼煙囪可不計算亞臨界橫風向共振荷載。當雷諾數不小于3.5×106，且1.2倍的煙囪頂部風速大于臨界風速時，應驗算其共振響應。當雷諾數不小于3×105且不大于3.5×106時，可不計算橫風向共振荷載。在驗算橫風向共振時，應計算風速小于基本設計風壓工況下可能發生的最不利共振響應。

3)地震作用。a.抗震設防烈度為6度和7度時，可不計算豎向地震作用；8度和9度時，應計算豎向地震作用。b.水平地震作用可按現行國家標準GB 50011建筑抗震設計規范規定的振型分解反應譜法進行計算。

2.3 計算要點

1)自立式鋼煙囪的直徑d和對應位置高度h之間的關系應根據強度和變形要求，經過計算后確定，并宜滿足h≤30d的要求；否則，應采取措施，譬如擴大煙囪下部直徑或采取減震措施等。

2)自立式鋼煙囪設計時，應進行下列計算：a.彎矩和軸力作用下，鋼煙囪強度計算。b.彎矩和軸力作用下，鋼煙囪局部穩定性驗算。c.彎矩和軸力作用下，鋼煙囪整體穩定性驗算。d.地腳螺栓最大拉力計算。e.鋼煙囪底座基礎局部受壓應力計算。f.煙道入口孔洞應力計算。

3)鋼煙囪的筒壁最小厚度應滿足下列要求：a.煙囪高度不大于20 m時，筒壁最小厚度為4.5+C。b.煙囪高度大于20 m時，筒壁最小厚度為6+C。其中，C為腐蝕厚度裕度，有隔熱層時取C=2 mm；無隔熱層時取C=3 mm。

4)有隔熱要求時，鋼煙囪應進行隔熱層設置。

5)為避免鋼煙囪出現共振現象，在鋼煙囪上部應設置破風圈。

6)鋼煙囪對防腐要求比較嚴格，應按規范要求進行防腐設計。

7)在荷載的標準組合效應作用下，鋼煙囪任意高度的水平位移不應大于該點高度的1/100。

8)鋼煙囪筒體鋼板相鄰玄帶之間，板與板的對接L接頭距離應相互錯開，距離不小于300 mm，不允許十字形交叉焊縫。

9)煙道入口孔洞上、下應設置加強環，并在加強環之間沿煙囪周圈設置加勁肋。

10)鋼煙囪亦應根據需要設置清掃孔、測量孔、旋轉鋼梯及檢修平臺等。

3 工程實例

3.1 計算程序簡介

1)設計依據：《建筑結構荷載規范》《建筑抗震設計規范》《高聳結構設計規范》《煙囪設計規范》。

2)本程序中，強度及穩定計算為煙囪底部數據；如需驗算其余部位，需自行調整程序模板。

3)煙囪長細比按懸臂構件計算，故長度系數取2。

4)鋼煙囪的自振周期計算對整個計算十分關鍵，對常規的斷面可根據規范或結構動力學公式計算，復雜的情況建議用ANSYS建模對比。

3.2 計算實例

利用編制的計算程序，對本工程直徑4.6 m，高度45 m自立式鋼煙囪進行反復計算、比較，最終確定其設計斷面。為了節約用鋼量，采用變截面的設計方法，煙囪下部(高度10 m)筒壁厚度采用12 mm，煙囪上部(高度35 m)筒壁厚度采用10 mm。充分利用了材料的性能，做到既安全又經濟。鋼材材質采用Q235B；檢修平臺寬度1 000 mm，均布恒載1.5 kN/m2，均布活載2.5 kN/m2；煙道入口孔洞寬度2 000 mm，壁厚12 mm；煙囪底部錨栓直徑42 mm，材質Q235B。

3.3 計算結果分析

通過程序對本工程進行計算，其計算結果如下：

1)橫向風振計算。

2)豎向地震計算。

本工程抗震設防烈度為6度，不計算豎向地震作用。

3)截面驗算。

a.強度計算。

b.局部穩定驗算。

c.整體穩定驗算。

4)煙囪底部錨栓計算。

螺栓數量n=24；錨栓直徑42 mm，材質Q235B。

5)基礎局部受壓應力計算。

由于σcbt<ωβ1fct，所以滿足要求。

6)煙道入口孔洞應力計算。

7)煙囪頂部位移計算。

8)材料量統計。本工程鋼材總量為72 t，螺栓總量為0.38 t。

9)結果分析。

采用編制的計算程序對自立式鋼煙囪可以進行結構快速優化設計，全面考慮，充分利用材料的性能，做到既經濟又合理。利用此程序，進行結構優化設計的鋼材總量比傳統設計方法設計的鋼材總量能節約20%左右，充分印證了利用本文編制的程序對其進行結構優化設計效果顯著。

4 結語

設計中應結合工程實際和業主需求，合理選擇鋼煙囪的結構形式。鋼煙囪的設計中，一定要注意每個細節，忽視細節設計都有可能造成不良后果；相反注重細節設計，卻能更好的優化設計，做到安全、經濟、合理。本文對鋼煙囪設計能提供一定的幫助和參考，但還需要不斷探索、總結和完善。

[1] GB 50051—2013,煙囪設計規范[S].

[2] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[3] GB 50135—2006，高聳結構設計規范[S].

[4] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[5] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

Design of self-standing steel chimney of the steel plant

Wei Baomin

(ChinaMetallurgySouthEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Wuhan430223,China)

Taking the 45 m self-standing steel chimney as an example, the paper specifically describes self-standing steel chimney design methods, features and design matters. Through software compiling computation program, it calculates and compares self-standing steel chimney, an finally determines its design section, which has certain guiding role for designing self-standing steel chimney structure.

self-standing style, steel chimney, structural design

1009-6825(2015)28-0038-02

2015-07-23

魏保敏(1978- )，男，高級工程師

TU391

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