某钢厂自立式钢烟囱结构设计

魏 保 敏

(中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223)

某钢厂自立式钢烟囱结构设计

魏 保 敏

(中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223)

以45 m高自立式钢烟囱为例，详细阐述了自立式钢烟囱的设计方法、特点以及设计中应注意的问题，并通过软件编制计算程序，对自立式钢烟囱进行计算、比较，最终确定了其设计断面，对自立式钢烟囱的结构设计有一定的参考作用。

自立式，钢烟囱，结构设计

1 工程概况

某钢厂除尘工程，根据通风专业要求需设置烟囱，烟囱高度45 m，直径4.6 m，最高烟气温度40 ℃；基本风压0.35 kN/m2,地面粗糙度为B类，地震设防烈度6度，地震加速度0.05g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。

2 设计要点

2.1 材料选用

钢烟囱分为塔架式、拉索式、自立式烟囱。根据工程条件，结合实际情况，本设计采用钢烟囱。钢烟囱、检修平台、旋转爬梯的材质均采用Q235B，其质量应符合现行国家标准GB/T 700碳素结构钢的规定。

2.2 荷载与作用

1)烟囱的荷载与作用：a.恒载：结构自重、土压力、拉线的拉力。b.活载：风荷载、烟气温度作用、检修荷载、平台活荷载、地震作用、地基沉降等。

2)风荷载作用。a.本工程的基本风压为0.35 kN/m2。b.自立式钢烟囱，当其坡度不大于2%时，应根据雷诺数的不同情况进行横风向风振验算；并应符合下列规定：用于横风向风振验算的雷诺数、临界风速和烟囱顶部风速，应按《烟囱设计规范》的公式计算。当雷诺数小于3×105，且烟囱顶部风速大于临界风速时，自立式钢烟囱可不计算亚临界横风向共振荷载。当雷诺数不小于3.5×106，且1.2倍的烟囱顶部风速大于临界风速时，应验算其共振响应。当雷诺数不小于3×105且不大于3.5×106时，可不计算横风向共振荷载。在验算横风向共振时，应计算风速小于基本设计风压工况下可能发生的最不利共振响应。

3)地震作用。a.抗震设防烈度为6度和7度时，可不计算竖向地震作用；8度和9度时，应计算竖向地震作用。b.水平地震作用可按现行国家标准GB 50011建筑抗震设计规范规定的振型分解反应谱法进行计算。

2.3 计算要点

1)自立式钢烟囱的直径d和对应位置高度h之间的关系应根据强度和变形要求，经过计算后确定，并宜满足h≤30d的要求；否则，应采取措施，譬如扩大烟囱下部直径或采取减震措施等。

2)自立式钢烟囱设计时，应进行下列计算：a.弯矩和轴力作用下，钢烟囱强度计算。b.弯矩和轴力作用下，钢烟囱局部稳定性验算。c.弯矩和轴力作用下，钢烟囱整体稳定性验算。d.地脚螺栓最大拉力计算。e.钢烟囱底座基础局部受压应力计算。f.烟道入口孔洞应力计算。

3)钢烟囱的筒壁最小厚度应满足下列要求：a.烟囱高度不大于20 m时，筒壁最小厚度为4.5+C。b.烟囱高度大于20 m时，筒壁最小厚度为6+C。其中，C为腐蚀厚度裕度，有隔热层时取C=2 mm；无隔热层时取C=3 mm。

4)有隔热要求时，钢烟囱应进行隔热层设置。

5)为避免钢烟囱出现共振现象，在钢烟囱上部应设置破风圈。

6)钢烟囱对防腐要求比较严格，应按规范要求进行防腐设计。

7)在荷载的标准组合效应作用下，钢烟囱任意高度的水平位移不应大于该点高度的1/100。

8)钢烟囱筒体钢板相邻玄带之间，板与板的对接L接头距离应相互错开，距离不小于300 mm，不允许十字形交叉焊缝。

9)烟道入口孔洞上、下应设置加强环，并在加强环之间沿烟囱周圈设置加劲肋。

10)钢烟囱亦应根据需要设置清扫孔、测量孔、旋转钢梯及检修平台等。

3 工程实例

3.1 计算程序简介

1)设计依据：《建筑结构荷载规范》《建筑抗震设计规范》《高耸结构设计规范》《烟囱设计规范》。

2)本程序中，强度及稳定计算为烟囱底部数据；如需验算其余部位，需自行调整程序模板。

3)烟囱长细比按悬臂构件计算，故长度系数取2。

4)钢烟囱的自振周期计算对整个计算十分关键，对常规的断面可根据规范或结构动力学公式计算，复杂的情况建议用ANSYS建模对比。

3.2 计算实例

利用编制的计算程序，对本工程直径4.6 m，高度45 m自立式钢烟囱进行反复计算、比较，最终确定其设计断面。为了节约用钢量，采用变截面的设计方法，烟囱下部(高度10 m)筒壁厚度采用12 mm，烟囱上部(高度35 m)筒壁厚度采用10 mm。充分利用了材料的性能，做到既安全又经济。钢材材质采用Q235B；检修平台宽度1 000 mm，均布恒载1.5 kN/m2，均布活载2.5 kN/m2；烟道入口孔洞宽度2 000 mm，壁厚12 mm；烟囱底部锚栓直径42 mm，材质Q235B。

3.3 计算结果分析

通过程序对本工程进行计算，其计算结果如下：

1)横向风振计算。

2)竖向地震计算。

本工程抗震设防烈度为6度，不计算竖向地震作用。

3)截面验算。

a.强度计算。

b.局部稳定验算。

c.整体稳定验算。

4)烟囱底部锚栓计算。

螺栓数量n=24；锚栓直径42 mm，材质Q235B。

5)基础局部受压应力计算。

由于σcbt<ωβ1fct，所以满足要求。

6)烟道入口孔洞应力计算。

7)烟囱顶部位移计算。

8)材料量统计。本工程钢材总量为72 t，螺栓总量为0.38 t。

9)结果分析。

采用编制的计算程序对自立式钢烟囱可以进行结构快速优化设计，全面考虑，充分利用材料的性能，做到既经济又合理。利用此程序，进行结构优化设计的钢材总量比传统设计方法设计的钢材总量能节约20%左右，充分印证了利用本文编制的程序对其进行结构优化设计效果显著。

4 结语

设计中应结合工程实际和业主需求，合理选择钢烟囱的结构形式。钢烟囱的设计中，一定要注意每个细节，忽视细节设计都有可能造成不良后果；相反注重细节设计，却能更好的优化设计，做到安全、经济、合理。本文对钢烟囱设计能提供一定的帮助和参考，但还需要不断探索、总结和完善。

[1] GB 50051—2013,烟囱设计规范[S].

[2] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[3] GB 50135—2006，高耸结构设计规范[S].

[4] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[5] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

Design of self-standing steel chimney of the steel plant

Wei Baomin

(ChinaMetallurgySouthEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Wuhan430223,China)

Taking the 45 m self-standing steel chimney as an example, the paper specifically describes self-standing steel chimney design methods, features and design matters. Through software compiling computation program, it calculates and compares self-standing steel chimney, an finally determines its design section, which has certain guiding role for designing self-standing steel chimney structure.

self-standing style, steel chimney, structural design

1009-6825(2015)28-0038-02

2015-07-23

魏保敏(1978- )，男，高级工程师

TU391

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