方形多平臺煙囪高風壓下一次滑模施工有限元模擬分析

左 皓 藍 磊 覃淼平

1. 廣西北投地產集團有限公司 廣西 南寧 530029；2. 廣西財經學院 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，打破了國內煙囪傳統的“一滑升一平臺”施工方法的局面，是一種創新施工工法。

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

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

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構，煙囪高度為102 m，截面內尺寸為10 m×10 m，筒壁厚度、混凝土強度等級詳見表1。煙囪內部設置有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處內壁預埋鋼板，尺寸為300 mm×300 mm× 8 mm，共8塊，用φ200 mm×3.5 mm的鋼管焊接成內八角形整體，保證平臺施工的完整性。其平臺結構及加固布置如圖1所示。

表1 煙囪結構壁厚與混凝土強度

圖1 煙囪平臺結構及加固布置

該煙囪結構的設計合理使用年限為50 a，建筑結構的安全等級為二級?？拐鹪O防烈度6度，基本地震加速度0.05g，設計地震分組為第二組。工程所在地基本風壓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

詳細施工工藝為：在每邊離墻角1/3筒體位置處的內壁預埋8塊尺寸為300 mm×300 mm×8 mm鋼板，筒體內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）。根據初步受力分析，具體在設計標高位置為8.50、51.70 m處的筒體內設置2層鋼管支撐。當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 臨時平臺鋼管加強示意

2 煙囪有限元模型

通過Abaqus軟件對煙囪筒體進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，最終結果與實測結果進行對比分析。

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滑移，整個過程中鋼筋、鋼板與混凝土均能較好地協同工作[3]。

2.2 材料本構模型

混凝土采用損傷塑性模型，本構關系參照文獻[3]采用的曲線。

鋼材均采用Von Mise屈服準則、隨動強化準則以及關聯流動法則[4]。鋼板、鋼管的單軸應力-應變關系為多折線型，屈服準則采用多折線型隨動強化模型（MKIN）；鋼筋的單軸應力-應變關系為理想彈塑性模型，屈服準則采用雙線型隨動強化模型（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

根據國家標準GB 50135—2006《高聳結構設計規范》以及建設工程行業標準JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》，煙囪結構風荷載計算公式為：ωk＝βz μz μsω0，取風荷載體型系數μs為1.4，風荷載分x、y這2個方向獨立施加。

3 計算結果分析

在對該模型進行有限元分析的過程中，均考慮重力二階效應的影響，同時將是否進行八角平臺支撐煙囪結構的計算結果進行對比，分析各項計算結果。

3.1 周期與振型

首先對煙囪進行模態分析，其前6階的結構周期和振型圖分別如表2所示。

表2 結構周期

由表2可知，煙囪規則對稱，其x、y這2個主軸方向的周期大致相近。煙囪的x、y方向的整體振動結果表現在第1、2階振型，第3階振型為扭轉振型。至30階振型時，振型質量參與系數已經接近90%，滿足規范要求。

3.2 應力云圖

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

經過模擬分析及結合現場實際情況，筒壁在風荷載作用下，其環向所受的應力很小，且大部分為壓應力，僅在部分迎風面處為拉應力。最大橫截面正應力出現在煙囪底部，為187 MPa，經驗算，結構強度滿足要求，表明在整個混凝土筒體設置2層鋼管加固平臺可滿足施工要求。

在自重和風荷載的共同作用下，結構迎風面位置，自重所產生的豎向壓應力大于風荷載產生的拉應力，其豎向應力為壓應力；壁面內的豎向壓應力隨著高度的增加而逐漸減小。

圖3 總體應力云圖

圖4 混凝土部分應力云圖

3.3 鋼管內力分析

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

圖5 鋼管應力分布

圖6為第1、第2層鋼管應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，鋼管的應力隨著煙囪的側壁位移的增大而逐漸增加。當第2層鋼管支撐加設后，煙囪的整體剛度加大，第1層鋼管應力隨之逐漸減小，后漸漸趨于平穩。整個施工模擬過程中，平臺鋼管支撐最大橫截面正應力出現在第2層鋼管支撐位置，為19.44 MPa，未達到屈服條件，滿足設計和規范要求。

圖6 平臺鋼管施工過程的應力變化情況

3.4 煙囪位移分析

結構的最大豎向壓應力出現在80～100 m高度范圍內。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，到一定高度后出現非線性，煙囪頂部達到最大水平位移21.51 mm，遠小于規范規定的限值。分析結果表明，八角平臺鋼管支撐的設置使得結構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構受力發生變化，其他桿件的受力增大而變形，因此需對平臺支撐鋼管進行穩定性驗算，計算時考慮結構筒壁對它的約束作用。斜撐桿承受最大應力為14.5 MPa，經驗算其穩定性系數φ＝0.514，λx＝132.5 MPa≤[λ]＝150 MPa，鋼管支撐剛度及穩定性均滿足規范要求。

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，傾覆彎矩隨著層數增加占比加大，但達到一定高度后，其占比維持在一個相對平衡的狀態。

圖8 傾覆彎矩

圖9 傾覆彎矩比例

4 結語

利用Abaqus軟件對高風壓下一次滑模施工方形鋼筋混凝土煙囪結構進行有限元模擬分析，主要得出以下結論：

1）根據對本工程的特點進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鍵點，在高風壓下，方形鋼筋混凝土煙囪一次滑模施工完全能夠滿足規范要求，安全可靠。

2）鋼管支撐的應力和煙囪頂的水平位移均隨著煙囪結構高度的增加而逐漸加大，通過2道八角平臺鋼管支撐的設置，增加煙囪筒體的結構剛度和整體性，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。

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