鋼煙囪結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計

燕科

（成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司）

鋼煙囪結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計

燕科

（成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司）

以實際工程中的鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，闡述了鋼煙囪的設(shè)計過程，并將部分計算過程在SAP2000中與手算結(jié)果進(jìn)行對比，研究了高聳結(jié)構(gòu)的機(jī)算與手算的部分差異。

鋼煙囪；結(jié)構(gòu)計算；SAP2000；機(jī)算差異；高聳結(jié)構(gòu)；風(fēng)振計算

1 工程概況

實際工程為GOE項目中窯頭煙囪，結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點一般包括結(jié)構(gòu)選型與布置，材料選取及荷載確定等［1］。初始設(shè)計方案煙囪直徑4.2m，高40m，設(shè)防烈度為7度，地震加速度0.15g，基本風(fēng)壓0.81kN/m2，地面粗糙度類別B類。鋼煙囪自重較輕，水平地震作用較小。煙囪小于60m，風(fēng)荷載與地震作用不同時考慮，煙囪以風(fēng)荷載控制。整個設(shè)計應(yīng)涉及煙囪風(fēng)荷載整體計算、地震計算、強(qiáng)度計算、局部風(fēng)壓計算、局部屈曲計算、整體穩(wěn)定性計算、地腳螺栓計算、底座基礎(chǔ)局部受壓計算、底座鋼板厚度及加勁肋計算、基礎(chǔ)設(shè)計、，位移限制、抗剪鍵計算、溫度作用、屈曲分析等內(nèi)容。參考煙囪設(shè)計規(guī)范中鋼煙囪的筒壁最小厚度的相應(yīng)要求，暫定鋼煙囪的筒壁厚度為9mm。

2 結(jié)構(gòu)的動力特性

初步判斷結(jié)構(gòu)基本自振周期，判斷風(fēng)荷載作用下需要考慮的風(fēng)振作用類型。

一般高聳結(jié)構(gòu)的基本自振周期可取：

T1=（0.007-0.013）H

故T1=0.52s

SAP2000建模得到結(jié)構(gòu)：

T1=0.63s T2=0.626s T3=0.393s

3 風(fēng)荷載作用下整體內(nèi)力分析

表4 隔震層最大位移值

5 結(jié)論

⑴采用雙層組合隔震裝置的高層剪力墻結(jié)構(gòu)的隔震效果良好

⑵局部采用滑板支座替代普通橡膠支座能夠降低隔震裝置費用，且各項隔震性能指標(biāo)均符合規(guī)定。

⑶滑板支座水平向剛度雖小于普通橡膠支座，隔震層整體剛度較小，但整個隔震結(jié)構(gòu)抗傾覆能力符合相關(guān)規(guī)定。

⑷罕遇地震作用下，上部結(jié)構(gòu)層間位移角最大值滿足框架剪力墻結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角限值的要求，上部結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)。●

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2010年版）［S］.

［2］CECS 126:2001，疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］GB20688.5-2014，橡膠支座第5部分：建筑隔震彈性滑板支座［S］.

［5］GB20688.3-2006，橡膠支座第3部分：建筑隔震橡膠支座［S］.

［6］GB 50223-2008，建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)［S］.

3.1 橫風(fēng)向風(fēng)振計算判斷

雷諾數(shù)：Re=69000vD

第一周期下：

υcr=33.33m/s，Re=9.66×106，υH=44.38m/s

由于結(jié)構(gòu)高度 H＞30m，H/B=9.52＞1.5，且 T1= 0.63s＞0.25s，考慮橫風(fēng)向風(fēng)振。

此時，風(fēng)的總效應(yīng)可將橫風(fēng)向風(fēng)荷載效應(yīng)SC與順風(fēng)向風(fēng)荷載效應(yīng)SA按矢量疊加：

其中順風(fēng)向風(fēng)荷載取在橫風(fēng)向共振發(fā)生時（臨界風(fēng)速時），在10m標(biāo)高處對應(yīng)的順風(fēng)向的基本風(fēng)壓。

ωcr10=43.332/1600×（10/40）2×0.15=0.774（kN/m2）

3.2 順風(fēng)向風(fēng)振計算

計算見表1：

表1

橫風(fēng)向等效風(fēng)荷載：

計算見列表2。

表2

總效應(yīng)：

剪力：V=（147.432+894.182）0.5=906.3kN

彎矩：M=（3647.872+25624.172）0.5=25882.52（kN·m）

SAP2000建模下的風(fēng)荷載效應(yīng)分析結(jié)果：

Fx=159.9kN〈V=906.3kN

比較結(jié)論：

SAP2000中未考慮橫風(fēng)向風(fēng)振，與順風(fēng)向風(fēng)振計算結(jié)果有些許偏差，可能是在手算過程中，對風(fēng)載進(jìn)行了分段，每段取中間值進(jìn)行整體計算，從而影響最終結(jié)果。

4 強(qiáng)度計算

自立式鋼煙囪在彎矩和軸向力作用下，鋼煙囪強(qiáng)度應(yīng)按下式進(jìn)行計算：

結(jié)構(gòu)效應(yīng)以風(fēng)荷載控制。

N=1.2×（372.69+16.28）+1.4×0.7×61.05 =526.6kN

風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩：

M=1.4×26441.7=37018.38kN.m

煙囪的面積：Ani=3.14×4200×9=118692mm2

煙囪抵抗矩：

W=3.14×（42004-41824）/64/（4200/2）=123827715.6mm3

則：

σ=526.6×1000/118692+37018.38×106/123827715.6

=303.38MPa

考慮鋼材強(qiáng)度溫度折減（窯頭煙囪溫度150℃）：

γs=1+150/（767×ln（150/1750））=0.92

f=0.92×215=197.8MPa〈303.38MPa

此時，若不調(diào)整方案，鋼板根部要做到14mm才滿足強(qiáng)度要求，18mm才同時滿足強(qiáng)度與局部屈曲要求（未考慮變化后的周期及風(fēng)振荷載）。

最終方案選擇為2%斜度變截面煙囪，高度35m，底部直徑4.2m，頂部直徑2.8m。其中，0～25m鋼板采用厚度12mm，25～35鋼板厚度10mm，由于鋼板厚度對周期有影響，而周期直接關(guān)系到臨界風(fēng)速的大小。

此方案下，SAP2000建模得到結(jié)構(gòu)T1=0.31s，此時驗算，可避免橫風(fēng)向風(fēng)振荷載效應(yīng)。最終計算結(jié)果：

剪力：V=91.22kN

彎矩：M=1929.29（kN·m）

依據(jù)煙囪凈截面進(jìn)行強(qiáng)度校核，滿足設(shè)計要求。

5 局部風(fēng)壓效應(yīng)計算

變截面煙囪驗算截面選取為頂部，變厚度處及底部。

在徑向局部風(fēng)壓作用下，煙囪豎向截面最大環(huán)向風(fēng)彎矩計算：

Mθin=0.314μzω0r2

頂部r=1.4m，Mθin=0.73（kN·m），βz=2.44，則彎矩設(shè)計值為M=0.73×1.4×2.43=2.48（kN·m）

則

σ=2.48×106/（（1000×102）/6）

=148.8MPa〈197.9MPa

驗算變厚度處及底部，均滿足要求。

不難發(fā)現(xiàn)，將頂部風(fēng)振大的地方直徑減小，有利于減小風(fēng)荷載局部彎矩。

6 整體穩(wěn)定性計算

在彎矩和軸向力作用下，鋼煙囪的整體穩(wěn)定性應(yīng)按下列公式進(jìn)行驗算：

參考煙囪工程手冊，計算得到：

滿足要求。

7 位移限制

依據(jù)相應(yīng)條文要求，在荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)作用下，鋼結(jié)構(gòu)煙囪任意高度的水平位移不應(yīng)大于該點離地高度的1/100。

基于SAP2000的分析結(jié)果，其風(fēng)振時底部的剪力Fx=88.6kN，風(fēng)振時頂部最大位移計算結(jié)果Smax=10mm＜350mm。

若將風(fēng)荷載按X向投影分段手動輸入，其風(fēng)振時底部的剪力Fx=91.2kN，頂部最大位移Smax=29.1mm，但此時結(jié)構(gòu)變形不符合力學(xué)概念；若將X向風(fēng)荷載以垂直于面的方式分段輸入，其風(fēng)振時底部的剪力Fx=107.2kN，最大位移Smax=13mm，接近SAP2000自動計算結(jié)果，變形正常。

手動輸入風(fēng)荷載時，風(fēng)荷載應(yīng)以表面壓力垂直殼面的方式輸入，而不是采用方向投影法輸入，雖然其計算的剪力結(jié)果一致，但變形不符；同時，若采用按X向均布壓力輸入，則迎風(fēng)面面積較實際偏大。

8 煙囪底部鏈接設(shè)計

煙囪自重G=347kN，風(fēng)荷載F=91.2kN，由于347× 0.4=138.8kN〉91.2kN，故不需設(shè)抗剪件。

因本實際工程屬涉外工程，參比與其他國家相關(guān)設(shè)計條文，中國規(guī)范地腳螺栓是不參與抗剪的，摩擦力不夠時需設(shè)抗剪件抵抗剪力。而美標(biāo)、英標(biāo)、埃及規(guī)范地腳螺栓都是可以參與抗剪的。此外，英國將錨栓完全看作普通螺栓，設(shè)計指標(biāo)取與普通螺栓完全相同，但在柱腳抗剪時忽略摩擦力的作用。

為避免或者減少氣流流動產(chǎn)生卡曼渦旋引起煙囪發(fā)生共振，可以考慮設(shè)置破風(fēng)圈。

對比初始設(shè)計方案，設(shè)置破風(fēng)圈后，風(fēng)荷載效應(yīng)中剪力V=282.1kN，減小68.87%，彎矩M=8024.2（kN·m），減小69.00%。

9 結(jié)語

對于獨立鋼煙囪設(shè)計，需要特別注意是否要計算順風(fēng)向風(fēng)振和橫風(fēng)向風(fēng)振，當(dāng)遭遇跨臨界強(qiáng)風(fēng)共振時，可以采用變截面適當(dāng)降低煙囪高度（即改變煙囪的固有頻率），或設(shè)置破風(fēng)圈減小橫風(fēng)向風(fēng)振效應(yīng)，從而對結(jié)構(gòu)的后續(xù)整個設(shè)計過程都會有較大的影響，做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理。●

【參考文獻(xiàn)】

［1］魏保敏.某鋼廠自立式鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計 ［J］.山西建筑，2015（28）:38-39.

［2］GB50051-2013，煙囪設(shè)計規(guī)范［M］.

［3］煙囪計算手冊［M］.