帶外裝飾自立式鋼煙囪加設(shè)阻尼器的設(shè)計(jì)分析

劉智敏，劉思遠(yuǎn)，李 猛

(1.中國中元國際工程有限公司,北京 100086; 2.中建三局集團(tuán)有限公司,四川 成都 610000)

0 引言

作為鍋爐設(shè)備的重要組成部分,在去工業(yè)化的時(shí)代,煙囪的外型越來越新穎,保證煙囪的安全運(yùn)行成為設(shè)計(jì)人員必須重視的因素。自立式鋼煙囪在力學(xué)模型中屬于具有一定柔性的高聳懸臂結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)阻尼較小,發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振時(shí)動(dòng)力響應(yīng)很大,橫風(fēng)向風(fēng)振對(duì)鋼煙囪起控制作用。如何消除或減小橫風(fēng)向風(fēng)振對(duì)煙囪的不利影響,成為煙囪設(shè)計(jì)首要問題。本文將通過一個(gè)帶外裝飾自立式鋼煙囪,對(duì)設(shè)置阻尼器與破風(fēng)圈兩種方案進(jìn)行比較,為工程設(shè)計(jì)人員提供參考依據(jù),使鋼煙囪設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

1 工程概況

河北某地一能源站,根據(jù)工藝要求需要設(shè)置2根出口直徑凈尺寸1 m,高63 m的煙囪。為了去工業(yè)化,甲方要求煙囪外部應(yīng)設(shè)計(jì)成4 000 mm×4 000 mm方形帶喇叭口。效果圖如圖1所示。

本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度:7度(0.1g);水平地震影響系數(shù)最大值:αmax=0.08;設(shè)計(jì)地震分組第二組;建筑場地類別:Ⅲ類;基本風(fēng)壓:0.40 kN/m2(50年一遇);地面粗糙度類別B類。本工程煙囪設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn),建筑形體尺寸受限,建筑場地對(duì)基礎(chǔ)尺寸也有限制。

2 煙囪類型選擇

根據(jù)建筑及工藝的資料,參照GB/T 50051—2021煙囪工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1],此工程煙囪方案可采用鋼筋混凝土套筒式煙囪(外筒為鋼筋混凝土受力筒,內(nèi)筒為鋼排煙筒)、自立式鋼煙囪(外筒為鋼結(jié)構(gòu)受力筒,內(nèi)筒為不銹鋼排煙筒,在外筒附加鋼龍骨包成效果圖的樣式)、塔架式鋼煙囪(塔架受力,不銹鋼懸掛排煙筒,在塔架外附加鋼龍骨包成效果圖的樣式)。三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

鋼筋混凝土套筒式煙囪的優(yōu)點(diǎn):支模方便、工程費(fèi)用造價(jià)低,一般不需維護(hù)等;缺點(diǎn):結(jié)構(gòu)自重大、截面剛度大、延性比鋼結(jié)構(gòu)差、抗震性能比鋼結(jié)構(gòu)差,特別是施工周期長。由于本項(xiàng)目施工周期受限,鋼筋混凝土方案被直接否定,主要比較鋼煙囪的兩種方案。

鋼煙囪施工快、輕便、美觀、抗震性能好,缺點(diǎn)是需要維護(hù),造價(jià)相對(duì)高。塔架式鋼煙囪,根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]相關(guān)規(guī)定,高寬比不應(yīng)大于10,本工程煙囪總高度63 m,則底盤塔架尺寸不能小于6 300 mm×6 300 mm。遠(yuǎn)大于建筑要求的4 000 mm×4 000 mm,與建筑效果圖的尺寸不符,因甲方不同意修改煙囪尺寸,即使塔架方案造價(jià)相對(duì)自立式鋼煙囪要低,且施工相對(duì)簡便,此方案最終也不能實(shí)施。

經(jīng)分析,本工程只能選擇自立式鋼煙囪方案。自立式煙囪的內(nèi)力一般由風(fēng)荷載控制,特別是在發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振時(shí),其荷載對(duì)煙囪的截面尺寸和變形起著決定性的作用。設(shè)計(jì)的首要任務(wù)就是判斷煙囪是否會(huì)發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振。

3 煙囪具體方案設(shè)計(jì)

3.1 橫風(fēng)向風(fēng)振的判斷

預(yù)判煙囪是否會(huì)發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振(渦激共振響應(yīng)),可根據(jù)GB/T 50051—2021煙囪工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第5.2.2條及GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[3]第8.5條,第j振型臨界風(fēng)速按下式計(jì)算:

結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速按下式計(jì)算:

雷諾數(shù)Re按下式計(jì)算:

Re=69 000vcrjD。

其中,ω0為基本風(fēng)壓,本工程取值0.40 kN/m2;vcrj為第j振型臨界風(fēng)速;Re為雷諾數(shù);υH為結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速;D為結(jié)構(gòu)截面寬度(取煙囪2/3高度處外徑),本工程煙囪2/3高度處外徑取4 m;Tj為結(jié)構(gòu)第j振型的自振周期(由于煙囪內(nèi)筒與外筒滑動(dòng)連接,僅底部固定承重,故內(nèi)筒僅對(duì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有貢獻(xiàn),對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)可以忽略,煙囪整體結(jié)構(gòu)可以看成底部固定的懸臂梁,使用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期計(jì)算得到第一振型周期T1=1.184 s);St為斯脫羅哈數(shù),根據(jù)規(guī)范取St=0.2;μH為結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)壓高度變化系數(shù),根據(jù)規(guī)范取μH=1.74。

查詢相關(guān)資料并計(jì)算得:第一振型自振周期T1=1.184 s,νcr1=16.9 m/s,υH=33.4 m/s,1.2υH=40.1 m/s,Re=4.7×106>3.5×106,1.2υH=40.1>υcr1=16.9。

根據(jù)GB/T 50051—2021煙囪工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第5.2.2條:對(duì)于混凝土煙囪和鋼煙囪,當(dāng)其頂部1/3高度范圍內(nèi)的坡度不大于2%時(shí),且頂部風(fēng)速vH的1.2倍大于vcrj時(shí),應(yīng)驗(yàn)算其渦激共振響應(yīng),即會(huì)發(fā)生橫風(fēng)向共振。

根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范第8.5.3條,當(dāng)Re≥3.5×105且結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速vH的1.2倍大于vcrj時(shí),可發(fā)生跨臨界的強(qiáng)風(fēng)共振,此時(shí)應(yīng)考慮橫風(fēng)向風(fēng)振的等效風(fēng)荷載。

因此,如何減小及消除橫風(fēng)向風(fēng)振對(duì)煙囪的影響,是本工程煙囪設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。

3.2 減振措施方案比較

煙囪設(shè)計(jì)減小及消除橫風(fēng)向風(fēng)振的方案主要有兩種:一種設(shè)計(jì)方案是增大截面使煙囪滿足承載力要求,即增大自立式煙囪的直徑,使其更加穩(wěn)定。這種方案會(huì)增加操作難度,增加制造成本。本工程因煙囪建筑效果圖的尺寸限制,這種方案被直接否定。另一種是采取減振措施,即通過增加或更換一些裝置來減少共振,從而保護(hù)自立煙囪的安全。目前國內(nèi)鋼煙囪設(shè)計(jì)有兩種減少振動(dòng)的措施:設(shè)置破風(fēng)圈以及安裝調(diào)頻阻尼器。

3.2.1 破風(fēng)圈減振方案

破風(fēng)圈的工作原理:通過在煙囪最上一段加焊螺旋狀繞帶或者翅片(也有軸向布置的)改變煙囪規(guī)則的表面狀況,來干擾空氣的流向,打破風(fēng)環(huán)消除規(guī)則的漩渦脫落現(xiàn)象,達(dá)到消除或減小橫風(fēng)向風(fēng)振的效果。

3.2.2 安裝調(diào)頻阻尼器的減振方案

阻尼器的工作原理:阻尼器是以提供運(yùn)動(dòng)的阻力,耗減運(yùn)動(dòng)能量的裝置。其利用摩擦力和液體阻力來消耗振動(dòng)能量,當(dāng)煙囪在水平地震和風(fēng)荷載作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí),阻尼器會(huì)產(chǎn)生相反方向的阻力,減少煙囪的振動(dòng)幅度及煙囪頂部位移,從而可以減少煙囪結(jié)構(gòu)整體受力,改善煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使得煙囪更經(jīng)濟(jì)、更安全。

3.2.3 兩種方案的對(duì)比

兩種方案從理論數(shù)據(jù)上分析,阻尼器可以有效減小橫風(fēng)向風(fēng)振的影響,但是不能完全消除。破風(fēng)圈不僅可以減弱橫風(fēng)向風(fēng)振,而且可以從根本上消除誘發(fā)橫風(fēng)向風(fēng)振的因素。

從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來看,阻尼器的減振效果不僅可以通過軟件分析來判斷,也可以在現(xiàn)場進(jìn)行安裝調(diào)試。對(duì)設(shè)計(jì)偏差進(jìn)行校正,減振效果可以量化,比較直觀、可靠。同時(shí),阻尼器不僅對(duì)橫風(fēng)向風(fēng)振有減弱作用,對(duì)地震工況下的水平地震力也有明顯的減弱,適用于抗震設(shè)防烈度8度以上時(shí),效果尤為顯著。但破風(fēng)圈的減振效果沒有數(shù)據(jù)支持,只能按規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),無法量化進(jìn)行驗(yàn)算校核,特別是帶外裝飾的鋼煙囪實(shí)際案例更少。

從安裝條件看,阻尼器的設(shè)備重量較輕,現(xiàn)場安裝工作量較小,但需專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場調(diào)試。破風(fēng)圈只需現(xiàn)場按圖施工焊接,無需調(diào)試,但金屬重量較重,現(xiàn)場焊接及吊裝工作量很大,對(duì)施工作業(yè)面要求較高。

成本上,一般破風(fēng)圈較為便宜。

3.2.4 減振措施的選取

對(duì)于減振措施,目前國內(nèi)普通鋼煙囪設(shè)計(jì)一般選擇設(shè)置破風(fēng)圈。國家標(biāo)準(zhǔn)圖集《鋼煙囪(自立式30 m～60 m)》[4]08SG213-1就是采用設(shè)置破風(fēng)圈來消除橫風(fēng)向風(fēng)振的作用。查詢國家標(biāo)準(zhǔn)圖集08SG213-1《鋼煙囪》,抗震烈度7度(0.1g),Ⅲ類場地,0.35 kN/m2(50年一遇);地面粗糙度類別B類,出口直徑2.5 m,總高度60 m,煙囪選用代碼60/2.5-1,在設(shè)置破風(fēng)圈的情況下,鋼煙囪直徑在底部±0.00 m,直徑為4.77 m>4 m。

和標(biāo)準(zhǔn)圖中60/2.5-1相比,本工程存在兩大不利條件:1)根據(jù)工藝要求,兩根直徑1 m的煙囪設(shè)計(jì)成套筒式自立式鋼煙囪,加上保溫及安裝間距,最終出口直徑取2.6 m,高度63 m,且外包鋼龍骨,50 m以下為4 000 mm×4 000 mm正方形,50 m～63 m為4/6 m的喇叭形。高度增加,外形尺寸擴(kuò)大,所承受的風(fēng)和地震荷載更大。2)規(guī)范的更新,特別是GB 50068—2018建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[5]執(zhí)行,鋼煙囪在底部±0.00 m的彎矩及剪力會(huì)更大。以上兩點(diǎn)都導(dǎo)致本工程若設(shè)置破風(fēng)圈其基礎(chǔ)頂?shù)匿摕焽柚睆骄鶗?huì)大于4.77 m。根據(jù)規(guī)范要求,在煙囪高度40 m～63 m范圍內(nèi),設(shè)置3道8 mm厚,寬260 mm螺旋板破風(fēng)圈,螺旋節(jié)距13 500 mm,經(jīng)計(jì)算,最終需要煙囪底部直徑取5 m,方可滿足強(qiáng)度要求,此尺寸不滿足建筑要求。設(shè)置破風(fēng)圈無法滿足本工程的設(shè)計(jì)要求。

因此,本工程煙囪采用安裝調(diào)頻阻尼器來減少橫風(fēng)向風(fēng)振,并通過軟件計(jì)算來量化其作用,使得在煙囪保證受力安全前提下,其外圍尺寸滿足建筑效果圖要求。

3.3 阻尼器的設(shè)置

本工程最后采用的是中標(biāo)煙囪廠家的專利[6]:環(huán)形液體阻尼器。此阻尼器的工作原理:通過在煙囪上設(shè)置環(huán)形液體阻尼器,減少煙囪因受到較大側(cè)向力而產(chǎn)生的較大晃動(dòng);通過多個(gè)隔液組件以及多個(gè)水箱實(shí)現(xiàn)液體阻尼器的阻尼效果,通過環(huán)狀的單個(gè)設(shè)置或多個(gè)相互連接設(shè)置的阻尼器單元與柱狀煙囪契合連接。此阻尼器可以提供運(yùn)動(dòng)的阻力,耗減運(yùn)動(dòng)能量,在抗震方面起到防震、吸收與消耗地震力的作用;在風(fēng)荷載引起的順風(fēng)和橫風(fēng)向風(fēng)振,起到減除風(fēng)振對(duì)結(jié)構(gòu)造成的不利影響,優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的作用。

根據(jù)煙囪標(biāo)準(zhǔn)第5.2.3條,橫風(fēng)向共振荷載范圍起點(diǎn)高度H1以及終點(diǎn)高度H2由以下兩式計(jì)算:

其中,α為地面粗糙度系數(shù),對(duì)應(yīng)A,B,C及D類地面粗糙度,可分別取0.12,0.15,0.22及0.3。本工程取值為0.15。

橫風(fēng)向風(fēng)振引起在Z高度處振型j的等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算:

其中,λj為計(jì)算系數(shù);vcr為臨界風(fēng)速;φZj為結(jié)構(gòu)在Z高處振型系數(shù);ζj為阻尼比。

根據(jù)煙囪標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)煙囪發(fā)生橫風(fēng)向風(fēng)振時(shí),可將橫風(fēng)向風(fēng)振荷載效應(yīng)SC與對(duì)應(yīng)風(fēng)速下順風(fēng)向荷載效應(yīng)SA按下式組合計(jì)算,具體見下式:

其中,βz為風(fēng)振系數(shù)。

通過軟件分析,本工程將阻尼器設(shè)置在煙囪高度58 m處。為了便于安裝,阻尼器單元由兩個(gè)半環(huán)狀結(jié)構(gòu)連接成一環(huán)狀結(jié)構(gòu),安裝時(shí)直接將兩個(gè)半環(huán)扣在鋼煙囪即可。本工程阻尼器隔液板共有18個(gè),對(duì)應(yīng)的圓心角均為20°,其中隔液板的尺寸:長1 100 mm,高為200 mm。隔液板上的灌液孔共2個(gè),孔徑40 mm。吊耳數(shù)量8組且每個(gè)吊耳高為150 mm。

3.4 阻尼器安裝前后受力比較

經(jīng)過分析試算,最終煙囪采用自立式鋼煙囪,受力外筒上附加鋼龍骨的裝飾架,在保證工藝需求及安裝操作作業(yè)面的情況下,鋼煙囪在0 m處的外徑取3 200 mm,煙囪平面布置圖如圖2所示。具體參數(shù):鋼煙囪外壁采用Q355B,煙囪在26.4 m以上,煙囪外徑2 600 mm;高度13.2 m～26.4 m間,煙囪外徑由3 200 mm漸變?yōu)? 600 mm;高度在13.2 m以下,煙囪外徑3 200 mm。0 m～13.2 m壁厚22 mm,13.2 m～26.4 m壁厚20 mm,26.4 m～40 m壁厚14 mm,40 m～50 m壁厚12 mm,50 m～63 m壁厚10 mm。2根1 m內(nèi)筒采用不銹鋼SUS304L,壁厚3 mm。內(nèi)外筒之間設(shè)置50 mm硅酸鋁棉保溫層+100 mm空氣隔熱層,外筒與排煙內(nèi)筒之間通過止晃裝置滑動(dòng)連接。全部煙囪外筒外布置方鋼管支撐,外圍布置鍍鋅方管骨架。龍骨外安裝3 mm厚鋁單板。運(yùn)用同濟(jì)大學(xué)3D3S軟件建模,計(jì)算簡圖見圖3。通過計(jì)算,得到安裝阻尼器前后的受力比較,見表1。

表1 煙囪安裝阻尼器前后受力比較

從表1可以看出,安裝阻尼器后,可以減少煙囪頂部位移,從而減少煙囪結(jié)構(gòu)整體受力,使得鋼煙囪底部的外徑能滿足建筑效果圖的要求。此煙囪已投入運(yùn)行,其立面效果在當(dāng)?shù)爻蔀榫W(wǎng)紅打卡地,獲得甲方好評(píng)。

4 結(jié)語

對(duì)于目前國內(nèi)項(xiàng)目,由于設(shè)置破風(fēng)圈無需現(xiàn)場調(diào)試,相對(duì)成本低些,對(duì)普通的自立式鋼煙囪建議采用破風(fēng)圈的方案來達(dá)到消除或減小橫風(fēng)向風(fēng)振的效果。當(dāng)施工場地受限,需盡量減少現(xiàn)場焊接的工作量及吊裝費(fèi)用;或鋼煙囪底部外直徑被建筑效果的尺寸限制,特別是帶外裝飾的去工業(yè)化鋼煙囪,為保證可靠的減振效果,建議采用阻尼器減振的方案。