某在役塔架式鋼煙囪外立面封閉后風振及結構安全性分析

王建強，朱文俊，莊繼勇，劉俊，王九根，王華丹，方浩峰

（1.寶武裝備智能科技有限公司，上海 201900；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；3.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055）

0 引言

目前鋼煙囪應用越來越廣泛，一般鋼煙囪包括自立式、拉索式和塔架式三種形式[1]。某鋼鐵廠在役塔架式鋼煙囪于2007年投產使用，服役已接近15年，現因城市天際線美觀及工藝改進的需要，計劃對其外立面進行包裹封閉改造，由于該構筑物位于風壓較大區域、近長江入海口，距離長江江邊約1km，且屬于風荷載敏感的結構，外側包裹蒙皮后迎風面積將明顯增大，風荷載作用影響顯著[2]，為了解封閉后塔架結構承載力是否滿足規范要求，確保改造后塔架結構安全使用，需對該塔架式鋼煙囪進行風振及結構安全性專項計算分析，為該塔架式煙囪立面封閉改造項目提供了技術依據。

1 概況

該塔架式鋼煙囪采用四肢鋼管塔架，毗鄰某軋鋼主廠房，塔架總高度為47m，共分9層，每層層高約為5.2m，塔架平面呈矩形，標高±0.000m處平面尺寸為8.0m×8.0m，平面尺寸沿高度內收，至標高21.1m處平面尺寸為7.0m×5.5m，該高度范圍內四肢柱的鋼管型號均為Φ500×16，標高2.1m～47.0m間平面尺寸均為7.0m×5.5m，該高度范圍內四肢柱的鋼管型號均為Φ500×12。塔架沿高度間隔5.2m設有平臺，平臺梁主梁 截 面 尺 寸 均 為 BH400×400×10×16mm，主梁與塔架柱剛接，平臺板采用6mm花紋鋼板，四周鋼管柱每層均設柱間支撐，塔架設有鋼樓梯，可直達47.000m平臺。塔架式鋼煙囪底部下部采用樁基承臺，設49.7m長PHC500AB樁。塔架和煙囪本體均采用Q235B鋼材，塔架結構的鋼材表面采用噴砂除銹，油漆三層（底漆+中漆+面漆），總厚度140μm，煙囪筒體采用噴射除銹，外壁油漆兩層（底漆+面漆），總厚度120μm，內壁僅涂底漆，厚度60μm。

現因鋼廠融入所在城市天際線美觀及生產工藝改進的需要，計劃對47m高的塔架外立面采用鏤空鋁板進行封閉改造。封閉改造前后實景見圖1，塔架式鋼煙囪立面見圖2示。

圖1 封閉改造前后實景圖

圖2 塔架立面圖

2 塔架結構風振分析

現行規范[3]僅通過地面粗糙度和建筑物間的互相干擾系數，對受風荷載影響敏感程度、周圍建筑物對其風荷載的增大效應進行粗略考慮。因此，為準確分析外側包裹蒙皮后風荷載對塔架結構承載力的影響，采用數值風洞模擬計算的方式，為該塔架構筑物的風荷載取值進行分析，為塔架整體驗算提供技術數據。

2.1 數值模擬風荷載建模分析

采用數值模擬軟件，通過數值風洞模擬方式，計算該塔架煙囪結構以50年重現期風壓條件下，數種工況作用下塔架表面風荷載分布情況（分為0度、90度、180度及270度四個方向，順時針布置），包括塔架表面的平均壓力云圖、風場速度矢量圖、等效靜力風荷載等，部分模型及風場布置見圖3。

圖3 180度工況流場速度矢量圖

2.1.1 風荷載的數值模型建立

考慮到塔架底部外形的變化相對整體結構不明顯，對煙囪塔架和周圍建筑的大致外形建立簡化模型，如圖3所示。建筑物的計算區域(X，Y，Z)以該塔架為中心，考慮長700m、寬420m、高150m的范圍。在塔架模型表面設置邊界層，同時設置加密區，以保證最終計算更易收斂、并保證精確度。

①模型邊界條件的設定

合理的邊界條件是流場控制方程有確定解的前提，邊界條件的選取直接影響到數值模擬計算的精確性。本文對風效應數值模擬中的邊界條件進行設置。

a空氣相的邊界

入流面采用速度入口邊界條件，定義入口處速度U、湍流動能k、湍流耗散率ε。風速U(Z)采用速度隨距地表高度呈指數型變化的平均風剖面輸入。

式（1）中，Z為距地表高度，U(Z)為Z高度處風速，Z0為參考高度，U0為參考高度處的風速。我國《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）中根據地形將地面粗糙度為A、B、C、D類，四種地面粗糙度對應的地面粗糙系數分別為0.12、0.15、0.22、0.3，本次根據實際工程環境取0.15。

b壁面的邊界條件

本項目分析研究的是鈍體周圍風的運動，認為周圍建筑物是固定不變形的，因而建筑物采用無滑移的壁面條件。建筑物計算域的側面、頂部采用自由滑移的壁面條件，指定壁面剪切應力為0。

2.2 分析出的等效靜力風荷載（50年）

通過采集兩個方向的風場數值模擬，得出各種工況的風向角荷載，在塔架有限元模型中的施加作用，并將面荷載等效為層高處集中荷載，部分等效風荷載詳見表1～2。

0度風向角各層等效靜力風荷載 表1

90度風向角各層等效靜力風荷載 表2

2.3 數值模擬風荷載分析結果

通過對該塔架煙囪進行風洞數值模擬，分析結果如下。

①因為塔架結構近距離存在大型建筑，使得流場變得復雜，來流風在結構迎風面上部、側風面的邊緣處產生了分離和再附，所形成的漩渦會直接改變近壁面的風速場，這是對其表面風壓分布規律產生影響的主要因素。

②結構表面的風壓分布對其朝向有嚴重依賴性。這主要是因為塔架結構附近廠房對其周圍流場產生較大影響，在90度工況時塔架結構表面的平均壓力云圖上限值比0度工況時增大10%以上，因為此時廠房在塔架背后阻擋了大范圍的來流風，加強了“狹道效應”。此外，若90度來流風完全反向，則會因為廠房在前方阻擋，塔架表面風作用將減弱，同理，0度工況中來流風從廠房遠端吹來時，位于更后方的塔架周圍流場將受到其分離區的影響，導致結果偏小。所以，本次研究分析中的0度和90度兩個方向來流都選擇了在建筑物縱向、橫向上的控制工況。

③運用大渦模擬亞格子模型，結合合適的湍流入口生成方法能夠對塔架結構的風荷載及風致響應進行有效的預測，經過計算得到的部分層間部位等效靜力風荷載略大于規范（10%以內）。

3 塔架結構安全性分析

3.1 塔架結構有限元建模

采用有限元軟件sap2000v23對塔架煙囪整體進行建模計算分析。主要是通過整體模型，得到結構層面、構件層面的內力及變形情況。

煙囪采用4節點薄殼單元，單元最大剖分尺寸為1000mm，煙囪底部同樣采用法蘭盤連接，在底部采用鉸接約束作為煙囪的支座邊界條件。塔架鋼結構柱、梁及支撐采用2節點梁單元進行建模，支撐與樓面次梁采用鉸接約束，釋放單元端部轉動自由度。四根立柱在底部均采用高強螺栓法蘭連接，采用剛接約束作為支撐框架部分的支座邊界條件，外塔基與煙囪之間設置了雙向可滑動約束節點，沿高度方向有四個樓層設置了該滑動裝置。

3.2 塔架結構有限元分析加載

重力荷載按圖紙考慮，風荷載根據風場模擬結果，按照表1和表2取值根據樓層進行施加，以線荷載施加至對應方向的樓層外圈梁上，按照規范要求考慮地震荷載及荷載組合。結構振型圖及位移云圖見圖4、圖5。

圖4 結構振型圖

圖5 X方向風荷載位移云圖（mm）

3.3 塔架結構承載力安全性分析

3.3.1 塔架上部結構承載力分析

①塔架結構變形計算結果分析

對風荷載標準值作用下結構的變形進行輸出，X方向頂部位移最大值為63mm，Y方向頂部最大位移為35mm。

對地震作用下結構的變形進行輸出，X方向頂部位移最大值為21mm，Y方向頂部最大位移為18.2mm。

對比可知，風荷載作用明顯高于地震作用。風荷載、地震作用下的塔架煙囪水平位移均滿足規范限值要求。

②塔架結構強度計算結果分析

塔架煙囪外側標高±0.000m～47.0m間外包鋁鏤空裝飾板包裹封閉改造后，經過計算分析，外側塔架梁、柱支撐的應力比均小于1.0，外側塔架的鋼結構桿件滿足規范要求[4]，其中底層柱的應力效應比最大，應力比為0.443，上部塔架煙囪的結構承載能力可以滿足要求。

③煙囪與塔架間滑動支座分析

提取所有滑動支座處連接單元的變形值，風荷載作用下支座處沿筒徑方向的相對變形最大值為2.76mm，相對豎向變形最大值為1.31mm，說明外側塔架與煙囪本體之間相對變形較小，兩者協同工作狀態較好。

④塔架底部柱腳節點計算分析

增加外蒙皮后，需要對結構柱腳節點重新驗算，模型中有4個柱腳，構造相同，采用8根M60的錨栓，錨栓為8根M60，強度等級為Q235，錨固長度為1200mm。經過計算分析，煙囪外側塔架肢柱柱腳節點錨栓等承載力滿足要求。

綜上所述，塔架煙囪外部包裹封閉后，塔架結構在風荷載、地震作用下的水平變形均滿足規范限值要求，塔架上部結構強度等承載能力滿足要求。

3.3.2 塔架下部基礎承載力分析

塔架外側包裹處理后，風荷載增加，需要對樁基的抗拔和抗剪重新進行驗算。該塔架煙囪下共設14根管樁。

依據上部荷載，經過計算，樁基礎的豎向承載力滿足要求，基礎下預應力管樁單樁水平承載力不滿足規范要求[5]。

3.3.3 處理意見

針對下部預應力管樁的水平承載不滿足規范要求的問題，建議可采用基礎底板擴大并補樁或對基礎進行注漿等方法進行加固處理，同時建議后續應采用穿孔率及孔徑均較大的外包鏤空鋁板，便于增大透風和散熱效果。

4 結語

文章采用數值模擬和有限元方法，對某在役塔架式鋼煙囪外立面封閉后風振計算及結構安全性分析，并提出了相應后續加固處理建議，為該塔架式煙囪立面封閉改造后的安全使用提供技術依據，可供同類工程參考。