放散塔結構設計優化分析

潘天久，舒蘇荀

（1.中冶南方工程技術有限公司，武漢 430223；2.武漢工程大學土木工程與建筑學院，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構，由放散管和支撐構件形成塔架。其高度通常在50 m 以上而平面尺寸較小，結構對側向力作用敏感。煤氣通過放散管放散燃燒時，在放散管中產生溫度應力；同時放散管因溫度變形被約束而在結構中產生內力。因此，水平力和溫度應力對放散塔結構的設計起控制作用。工程中可利用放散管形成塔架，共同抵抗側向力及溫度應力；也可單獨為放散管設置塔架支撐，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，并基于模態分析進行結構的地震反應譜分析，比較不同結構形式的放散塔在自振周期、位移等動力響應方面的差異。

2 結構分析模型

某一高爐粗煤氣放散塔結構，工藝設計為雙管放散塔。高度50 m，設兩層平臺，頂部設備荷載為20 kN，煤氣溫度荷載100 ℃。該項目結構設計中，增設一根結構桿，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GB 50135—2019《高聳結構設計標準》[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 下的應力比分別見圖3。

圖3 各組模型應力比云圖

由圖3 可知，十字支撐三管放散塔（模型1-1）豎桿最大應力比為0.4；梁式三管塔架（模型1-2）中豎桿最大應力比為0.9；桁架支撐三管塔架（模型1-3）中豎桿最大應力比為0.6；梁式三管塔架（模型1-2）中豎桿最大應力比最大且3 根豎桿截面明顯大于模型1-1 和模型1-3 中豎桿截面。梁式三管塔架構件總質量約為70 t，十字支撐三管放散塔總質量約為42 t，桁架支撐放散塔總質量約為50 t。在滿足強度和變形的條件下，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，現場焊接工作量大。

4 模態分析

通過模態分析，可得出各組模型的自振周期和振型等結構基本性能參數，以對結構響應進行定性判斷[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。各組模型第1 階振型基本周期適中，說明結構剛度合理。模型1-1 中T2/T1=0.995，結構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范要求；而模型1-1 和1-2 中，T3/T1均小于0.5，說明結構抗扭轉能力較差。

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GB 50191—2012《構筑物抗震設計規范》[3]，放散塔結構的抗震計算可采用振型分解反應譜法。輸入抗震設防烈度為8 度，場地類別為Ⅱ類，對各組模型進行反應譜分析，得到其在多遇地震作用下的動力響應。選取各組模型在地震工況的頂部位移和基底反力進行比較，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GB 50135—2019《高聳結構設計標準》，地震作用下高聳結構的位移限值為ΔU/H≤1/100。各組模型的變形均滿足要求，模型1-1 位移最小，說明結構剛度最大；模型1-2 位移最大，結構剛度最小。為滿足變形要求，模型1-2 需要通過增加豎管和橫梁截面，導致模型1-2 的結構自重明顯大于模型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，經靜力計算和反應譜分析得出如下結論：

1）在滿足強度和變形的條件下，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量多，現場焊接工作量大。

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。