方形多平臺煙囪高風(fēng)壓下一次滑模施工有限元模擬分析

左 皓 藍(lán) 磊 覃淼平

1. 廣西北投地產(chǎn)集團(tuán)有限公司 廣西 南寧 530029；2. 廣西財經(jīng)學(xué)院 廣西 南寧 530201

對于近代工廠而言，煙囪是一個不可缺少的重要組成部分[1]。高聳煙囪一次滑模施工方法，效率高，速度快，打破了國內(nèi)煙囪傳統(tǒng)的“一滑升一平臺”施工方法的局面，是一種創(chuàng)新施工工法。

為增加煙囪結(jié)構(gòu)的整體剛度，原設(shè)計鋼筋混凝土平臺通過采用平面的鋼管支撐進(jìn)行代替，待主體筒體施工滑模到固定位置，拆除該層鋼管支撐，筒體可繼續(xù)往上滑模，此時再對該層鋼筋混凝土平臺進(jìn)行施工，以達(dá)到質(zhì)量可靠、快速安全的目標(biāo)[2]。

為保證一次滑模施工煙囪結(jié)構(gòu)的安全，使用Abaqus有限元分析軟件建立了高風(fēng)壓下煙囪筒體的空間力學(xué)模型，并按實際施工情況對施工的全過程進(jìn)行有限元分析模擬，以期為實際施工提供技術(shù)支持。

1 工程概況

1.1 基本情況

某生活垃圾焚燒煙囪項目外筒為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，煙囪高度為102 m，截面內(nèi)尺寸為10 m×10 m，筒壁厚度、混凝土強(qiáng)度等級詳見表1。煙囪內(nèi)部設(shè)置有13層平臺，各層煙囪筒體滑模施工完成后，在每層暗梁水平方向，離墻角1/3處內(nèi)壁預(yù)埋鋼板，尺寸為300 mm×300 mm× 8 mm，共8塊，用φ200 mm×3.5 mm的鋼管焊接成內(nèi)八角形整體，保證平臺施工的完整性。其平臺結(jié)構(gòu)及加固布置如圖1所示。

表1 煙囪結(jié)構(gòu)壁厚與混凝土強(qiáng)度

圖1 煙囪平臺結(jié)構(gòu)及加固布置

該煙囪結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級。抗震設(shè)防烈度6度，基本地震加速度0.05g，設(shè)計地震分組為第二組。工程所在地基本風(fēng)壓0.35 kN/m2，地面粗糙度為B類，場地類別為Ⅱ類。

1.2 施工工藝

詳細(xì)施工工藝為：在每邊離墻角1/3筒體位置處的內(nèi)壁預(yù)埋8塊尺寸為300 mm×300 mm×8 mm鋼板，筒體內(nèi)壁表面與鋼板表面相平。滑模施工完成本層周邊的筒體后，立即焊接安裝尺寸為φ200 mm×3.5 mm的平臺鋼管支撐（圖2）。根據(jù)初步受力分析，具體在設(shè)計標(biāo)高位置為8.50、51.70 m處的筒體內(nèi)設(shè)置2層鋼管支撐。當(dāng)滑模施工至一定位置后拆除平面鋼管支撐，施工該拆除層平臺梁。

圖2 臨時平臺鋼管加強(qiáng)示意

2 煙囪有限元模型

通過Abaqus軟件對煙囪筒體進(jìn)行施工過程有限元模擬分析，采用三維實體單元并考慮混凝土損傷塑性及材料非線性，最終結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.1 基本假定

1）混凝土初期按各向同性考慮，開裂后按各向異性考慮。

2）鋼筋按各向同性來考慮。

3）忽略各種材料之間的黏結(jié)滑移，整個過程中鋼筋、鋼板與混凝土均能較好地協(xié)同工作[3]。

2.2 材料本構(gòu)模型

混凝土采用損傷塑性模型，本構(gòu)關(guān)系參照文獻(xiàn)[3]采用的曲線。

鋼材均采用Von Mise屈服準(zhǔn)則、隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則以及關(guān)聯(lián)流動法則[4]。鋼板、鋼管的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為多折線型，屈服準(zhǔn)則采用多折線型隨動強(qiáng)化模型（MKIN）；鋼筋的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用雙線型隨動強(qiáng)化模型（BKIN）。

2.3 單元類型

混凝土采用C3D8R三維線性減縮積分實體單元，鋼管與鋼板均采用C3D4三維線性減縮積分實體單元，鋼筋采用T3D2空間桁架單元。

2.4 邊界條件

不考慮滑移，將鋼筋單元嵌入到混凝土單元中，自由度自動耦合。地基作為剛性地基處理，即假定煙囪底部固定不動，上部作為自由端，為一般支承。

2.5 加載

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》以及建設(shè)工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，煙囪結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算公式為：ωk＝βz μz μsω0，取風(fēng)荷載體型系數(shù)μs為1.4，風(fēng)荷載分x、y這2個方向獨立施加。

3 計算結(jié)果分析

在對該模型進(jìn)行有限元分析的過程中，均考慮重力二階效應(yīng)的影響，同時將是否進(jìn)行八角平臺支撐煙囪結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果進(jìn)行對比，分析各項計算結(jié)果。

3.1 周期與振型

首先對煙囪進(jìn)行模態(tài)分析，其前6階的結(jié)構(gòu)周期和振型圖分別如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)周期

由表2可知，煙囪規(guī)則對稱，其x、y這2個主軸方向的周期大致相近。煙囪的x、y方向的整體振動結(jié)果表現(xiàn)在第1、2階振型，第3階振型為扭轉(zhuǎn)振型。至30階振型時，振型質(zhì)量參與系數(shù)已經(jīng)接近90%，滿足規(guī)范要求。

3.2 應(yīng)力云圖

在豎向施工荷載和風(fēng)荷載的共同作用下，煙囪的總體應(yīng)力云圖和混凝土部分應(yīng)力云圖分別如圖3、圖4所示。

經(jīng)過模擬分析及結(jié)合現(xiàn)場實際情況，筒壁在風(fēng)荷載作用下，其環(huán)向所受的應(yīng)力很小，且大部分為壓應(yīng)力，僅在部分迎風(fēng)面處為拉應(yīng)力。最大橫截面正應(yīng)力出現(xiàn)在煙囪底部，為187 MPa，經(jīng)驗算，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，表明在整個混凝土筒體設(shè)置2層鋼管加固平臺可滿足施工要求。

在自重和風(fēng)荷載的共同作用下，結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面位置，自重所產(chǎn)生的豎向壓應(yīng)力大于風(fēng)荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，其豎向應(yīng)力為壓應(yīng)力；壁面內(nèi)的豎向壓應(yīng)力隨著高度的增加而逐漸減小。

圖3 總體應(yīng)力云圖

圖4 混凝土部分應(yīng)力云圖

3.3 鋼管內(nèi)力分析

從圖5可以看出，平臺鋼管支撐都受壓應(yīng)力的作用，受力比較均勻。鋼管應(yīng)力呈現(xiàn)左右對稱分布。

圖5 鋼管應(yīng)力分布

圖6為第1、第2層鋼管應(yīng)力隨著煙囪施工高度的增加而變化的情況。由圖6可見，隨著高度的增加，鋼管的應(yīng)力隨著煙囪的側(cè)壁位移的增大而逐漸增加。當(dāng)?shù)?層鋼管支撐加設(shè)后，煙囪的整體剛度加大，第1層鋼管應(yīng)力隨之逐漸減小，后漸漸趨于平穩(wěn)。整個施工模擬過程中，平臺鋼管支撐最大橫截面正應(yīng)力出現(xiàn)在第2層鋼管支撐位置，為19.44 MPa，未達(dá)到屈服條件，滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

圖6 平臺鋼管施工過程的應(yīng)力變化情況

3.4 煙囪位移分析

結(jié)構(gòu)的最大豎向壓應(yīng)力出現(xiàn)在80～100 m高度范圍內(nèi)。圖7為煙囪隨著施工過程中煙囪位移曲線。從圖中可以看出，煙囪最初的水平位移隨著高度呈線性增加，到一定高度后出現(xiàn)非線性，煙囪頂部達(dá)到最大水平位移21.51 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限值。分析結(jié)果表明，八角平臺鋼管支撐的設(shè)置使得結(jié)構(gòu)的水平位移得到有效的控制。

圖7 施工過程中煙囪頂部位移曲線

3.5 支撐鋼管穩(wěn)定性分析

考慮到煙囪八角平臺支撐的作用，若某一壓桿屈曲會使整體結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變化，其他桿件的受力增大而變形，因此需對平臺支撐鋼管進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，計算時考慮結(jié)構(gòu)筒壁對它的約束作用。斜撐桿承受最大應(yīng)力為14.5 MPa，經(jīng)驗算其穩(wěn)定性系數(shù)φ＝0.514，λx＝132.5 MPa≤[λ]＝150 MPa，鋼管支撐剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3.6 傾覆彎矩分析

圖8是傾覆彎矩隨高度的變化情況，圖9是傾覆彎矩在總彎矩中所占的比例情況。從圖9可以看出，傾覆彎矩隨著層數(shù)增加占比加大，但達(dá)到一定高度后，其占比維持在一個相對平衡的狀態(tài)。

圖8 傾覆彎矩

圖9 傾覆彎矩比例

4 結(jié)語

利用Abaqus軟件對高風(fēng)壓下一次滑模施工方形鋼筋混凝土煙囪結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析，主要得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)對本工程的特點進(jìn)行了煙囪模型有限元模擬分析工作，有效地把握住施工過程中的各個關(guān)鍵點，在高風(fēng)壓下，方形鋼筋混凝土煙囪一次滑模施工完全能夠滿足規(guī)范要求，安全可靠。

2）鋼管支撐的應(yīng)力和煙囪頂?shù)乃轿灰凭S著煙囪結(jié)構(gòu)高度的增加而逐漸加大，通過2道八角平臺鋼管支撐的設(shè)置，增加煙囪筒體的結(jié)構(gòu)剛度和整體性，能夠滿足施工過程的需要。

3）傾覆彎矩在抵抗風(fēng)荷載時作用明顯，隨著高度增加，傾覆彎矩占比有所增大，一定高度后其占比基本保持平衡狀態(tài)。

4）該工程通過采用一次滑模技術(shù)，在保證質(zhì)量的同時節(jié)約了成本53.67萬元，縮短了10%的施工周期。施工全過程處于安全、優(yōu)質(zhì)、快速的可控狀態(tài)。