放散塔結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化分析

潘天久，舒蘇荀

（1.中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430223；2.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430073）

1 引言

煤氣放散塔是鋼鐵和化工工程中常見的一類結(jié)構(gòu)，由放散管和支撐構(gòu)件形成塔架。其高度通常在50 m 以上而平面尺寸較小，結(jié)構(gòu)對側(cè)向力作用敏感。煤氣通過放散管放散燃燒時，在放散管中產(chǎn)生溫度應(yīng)力；同時放散管因溫度變形被約束而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力。因此，水平力和溫度應(yīng)力對放散塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計起控制作用。工程中可利用放散管形成塔架，共同抵抗側(cè)向力及溫度應(yīng)力；也可單獨為放散管設(shè)置塔架支撐，放散管與塔架支撐采用滑道連接，不考慮放散管的剛度，塔架支撐為放散管提供側(cè)向剛度。本文基于某一高爐粗煤氣放散塔，建立工程中不同形式的放散塔模型，并基于模態(tài)分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)譜分析，比較不同結(jié)構(gòu)形式的放散塔在自振周期、位移等動力響應(yīng)方面的差異。

2 結(jié)構(gòu)分析模型

某一高爐粗煤氣放散塔結(jié)構(gòu)，工藝設(shè)計為雙管放散塔。高度50 m，設(shè)兩層平臺，頂部設(shè)備荷載為20 kN，煤氣溫度荷載100 ℃。該項目結(jié)構(gòu)設(shè)計中，增設(shè)一根結(jié)構(gòu)桿，與兩根放散管通過十字支撐連接，形成十字支撐三管放散塔（模型1-1），現(xiàn)場實物圖片見圖1。同時，建立該雙管放散塔的梁式三管塔架（模型1-2）、桁架支撐三管塔架（模型1-3），各組分析模型如圖2所示。

圖1 某高爐三管放散塔照片

圖2 分析模型示意圖

3 靜力分析

依據(jù)GB 50135—2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[1]，靜力分析時采用如下組合：（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 為自重等永久荷載，W、T、L 分別為風(fēng)荷載、溫度作用和塔樓樓屋面或平臺的活荷載。各組模型在基本組合1.2G+1.4W+0.98L 下的應(yīng)力比分別見圖3。

圖3 各組模型應(yīng)力比云圖

由圖3 可知，十字支撐三管放散塔（模型1-1）豎桿最大應(yīng)力比為0.4；梁式三管塔架（模型1-2）中豎桿最大應(yīng)力比為0.9；桁架支撐三管塔架（模型1-3）中豎桿最大應(yīng)力比為0.6；梁式三管塔架（模型1-2）中豎桿最大應(yīng)力比最大且3 根豎桿截面明顯大于模型1-1 和模型1-3 中豎桿截面。梁式三管塔架構(gòu)件總質(zhì)量約為70 t，十字支撐三管放散塔總質(zhì)量約為42 t，桁架支撐放散塔總質(zhì)量約為50 t。在滿足強(qiáng)度和變形的條件下，十字支撐三管放散塔耗鋼量最小，桁架支撐放散塔耗鋼量稍大于十字支撐三管放散塔，梁式三管放散塔耗鋼量最大。十字支撐三管放散塔中支撐桿多，現(xiàn)場焊接工作量大。

4 模態(tài)分析

通過模態(tài)分析，可得出各組模型的自振周期和振型等結(jié)構(gòu)基本性能參數(shù)，以對結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行定性判斷[2]。各組模型的前5 階振型分別如圖4 所示。

圖4 各組模型振型和周期

對比各組模型的振型和周期，各組模型前兩階振型為平動，第3 階振型為扭轉(zhuǎn)。各組模型第1 階振型基本周期適中，說明結(jié)構(gòu)剛度合理。模型1-1 中T2/T1=0.995，結(jié)構(gòu)兩個主軸方向周期接近，說明兩個主軸方向剛度均勻，抗震性能好。模型1-2 中T2/T1=0.837，模型1-3 中T2/T1=0.882，剛度比均小于模型1-1。模型1-3 中，T3/T1=0.799，說明抗扭能力滿足規(guī)范要求；而模型1-1 和1-2 中，T3/T1均小于0.5，說明結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)能力較差。

綜上，桁架支撐三管放散塔沿X 向和Y 向剛度分布均勻，且抗扭能力優(yōu)于十字支撐三管放散塔和梁式三管放散塔。

5 抗震性能分析

依據(jù)GB 50191—2012《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[3]，放散塔結(jié)構(gòu)的抗震計算可采用振型分解反應(yīng)譜法。輸入抗震設(shè)防烈度為8 度，場地類別為Ⅱ類，對各組模型進(jìn)行反應(yīng)譜分析，得到其在多遇地震作用下的動力響應(yīng)。選取各組模型在地震工況的頂部位移和基底反力進(jìn)行比較，見表1。

表1 各組模型地震作用下基底剪力及頂點位移表

依據(jù)GB 50135—2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，地震作用下高聳結(jié)構(gòu)的位移限值為ΔU/H≤1/100。各組模型的變形均滿足要求，模型1-1 位移最小，說明結(jié)構(gòu)剛度最大；模型1-2 位移最大，結(jié)構(gòu)剛度最小。為滿足變形要求，模型1-2 需要通過增加豎管和橫梁截面，導(dǎo)致模型1-2 的結(jié)構(gòu)自重明顯大于模型1-1 和模型1-3，因此，模型1-2 中地震作用下基底反力明顯增大。模型1-1 和模型1-3 的基底反力和頂點位移接近，說明十字支撐三管放散塔與桁架支撐三管放散塔具有相近的抵抗地震作用的能力。

6 結(jié)論

本文基于某一高爐粗煤氣放散塔，建立十字支撐三管放散塔、梁式三管放散塔、桁架支撐三管放散塔模型，經(jīng)靜力計算和反應(yīng)譜分析得出如下結(jié)論：

1）在滿足強(qiáng)度和變形的條件下，十字支撐三管放散塔耗鋼量最小，桁架支撐放散塔耗鋼量稍大于十字支撐三管放散塔，梁式三管放散塔耗鋼量最大。十字支撐三管放散塔支撐桿件數(shù)量多，現(xiàn)場焊接工作量大。

2）桁架支撐三管放散塔沿X 向和Y 向剛度分布均勻，且抗扭能力優(yōu)于十字支撐三管放散塔和梁式三管放散塔。

3）十字支撐三管放散塔剛度最大，梁式三管放散塔剛度最小。梁式三管放散塔地震作用下基底反力大于十字支撐三管放散塔和梁式三管放散塔。