火电厂临时窄基塔架钢烟囱设计

2016-11-12李文峰安徽省电力设计院安徽合肥230601

安徽建筑 2016年2期

李文峰（安徽省电力设计院，安徽合肥 230601）

火电厂临时窄基塔架钢烟囱设计

李文峰（安徽省电力设计院，安徽合肥 230601）

随着环保越来越受到重视，国内很多电厂对烟气采用了湿法脱硫处理，烟囱尾气为具有强腐蚀性的湿烟气，由于早期设计中没有较多的经验参考，造成很多烟囱出现腐蚀损坏甚至倒塌。部分电厂在原烟囱出现严重损坏后，综合考虑，采用就近新建临时塔架烟囱的改造方式，这种临时烟囱具有塔基根开小、施工工期紧等特点。文章通过有限元整体计算方法，分析出烟囱的受力特点和构造注意事项，为今后相似类型烟囱的设计提供参考。

塔架；内筒；耦合；湿法脱硫

1 工程概况

合肥某热电厂原设计为钢筋砼单套筒烟囱，内筒为耐酸钢内涂玻璃鳞片防腐，尾气经过湿法脱硫，烟囱内烟气为典型的湿烟气，具有极强的腐蚀性。烟囱运行约3年后，出现排烟内筒内涂玻璃鳞片起皮脱落现象，运行6年后出现内筒耐酸钢板大面积腐蚀穿孔问题，经过评估，原烟囱已经无法再满足运行需要。综合考虑，在原烟囱东侧新建一座相同排烟直径、高度的临时运行烟囱。由于该热电厂对片区供热意义重大，建设方对工期要求严格，且扩建场地也十分有限，综合考虑，最终选取塔架烟囱方案。

排烟筒高度120.00m，塔架高度116.00m，排烟筒出口直径4.00m，基本风压0.35kN/m2，地面粗糙度B类，抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为第一组，场地类别Ⅱ类。

2 塔架烟囱模型及计算

2.1 结构布置

塔架烟囱一般分为三角形和方形结构，合理的根开跨度宜为总高度的1/8～1/4，常规设计中，根开一般选取总高的 1/6～1/4，但本工程由于受场地限制，最终方案选取塔架为方形结构形式，根开取为总高的1/8，即 15.00m。塔架顶部宽度 6.00m，塔架主材采用风载体型系数较小的无缝钢管或螺旋焊管，最大尺寸为φ530×12，最小尺寸为φ180×8，材质为Q345B或Q235B。考虑本次新建烟囱为临时用，综合造价考虑，内筒仍采用耐酸钢内衬玻璃鳞片，内筒材质力学性能同 Q235B钢，壁厚自底向上由 14mm递减为10mm。内筒自立支承于±0.000m，上部每隔一定距离在塔架上设置导向支撑。

综合考虑结构和使用要求，塔架共分为23层，每层高度自下而上分别由 6m递减为 3m（布置如图1）。每隔2～3层设置一道横隔（型式如图2），以保证结构的抗扭刚度，并作为内筒的横向支撑平台和检修平台。四边形塔架四面结构形式相同，底部两层采用再分式人字撑，便于烟道接入，其余各层均采用普通人字撑，斜撑与塔柱间夹角保持在40°～50°之间。

图1 塔架布置图

图2 横隔布置图

2.2 有限元模型

塔架烟囱常规的分析方式有两种：一是分离式建模计算，即将塔架与内筒单独分析，在塔架分析时，排烟内筒作为设备，将其所受风荷载作用于塔架上，在导向支撑处设置质量源，计算塔架的受力特征，后将塔架的位移荷载施加于内筒上，分析内筒受力；二是整体式建模计算，即将塔架与内筒整体分析，在导向支撑处，将塔架与内筒的水平位移自由度耦合。

两种分析方式中，第二种更接近真实受力情况，第一种忽略了内筒对整体模型的刚度影响，进而影响结构风荷载和地震作用计算，且内筒自身的自振周期由于受边界条件的影响也会有所不同，进而影响内筒对塔架的风荷载和地震作用的添加。有论文对两种模型分析结果进行对比，结果显示第一种模型更偏于保守，但由于选取的工程具有特定的结构周期和特征周期，其结论不具备通用性。

本文采用midas gen 有限元软件对塔架烟囱采用整体建模分析，塔柱各拼接点考虑为刚性连接，横梁及支撑端部考虑为铰接点，内筒采用杆单元建模，在导向平台处，将内筒节点与塔架节点耦合水平方向自由度。

图3 塔架烟囱整体模型

2.3 荷载取值及加载

塔架烟囱主要受恒载、检修活载、风载、地震作用等。其中恒载与检修活载为常规荷载，按《烟囱设计规范》添加，值得提出的是，由于建模中，一般不考虑塔架节点板、内筒加劲肋等模型细节的输入，为保证结构模型的真实有效性，采用增加材质密度的方式进行模拟。

对风载，需要考虑0°与45°两个方向施加，风荷载计算时，需要考虑体形系数及顺风向风振问题，根据《烟囱设计规范》规定，塔架式烟囱可分别计算塔架与内筒的风荷载。对风荷载体形系数，按《建筑结构荷载规范》进行计算选取，钢管塔架需要根据各节的挡风系数分别计算各节的体形系数值，需要注意，在两个方向风荷载添加时，应分别选取两个方向的挡风系数进行计算，另外，还需要考虑节点连接板及爬梯等附加件对风荷载的影响；对风载顺风向风振系数，需要根据计算模型的自振周期进行核算，在结构构件优化的过程中，风荷载均应进行相应调整。

地震作用采用地震分解反应谱法计算，分析中选取前15阶阵型，其平动阵型参与质量比为91%，满足结构设计要求，其前两阶单向平动模态和第一阶扭转模态如下图所示。

图4.1 第一阶平动模态

图4.2 第二阶平动模态

图4.3 第一阶扭转模态

图4.4 第三阶平动模态

3 塔架烟囱设计

3.1 结果分析及构件设计特点

从位移结果看，0°风载作用引起的塔顶最大位移为 312mm，45°风载作用引起的塔顶最大位移为383mm，单向地震作用引起的塔顶最大位移为22mm，从分析结果看，塔架的抗侧刚度能够满足规范要求不大于塔高1/100的要求。

从内力结果看，塔架主要控制荷载为风荷载，对本工程而言，其引起的塔柱底部轴力约为地震荷载的10倍左右，因此，风荷载的输入至关重要。对0°风载和45°风载进行比较，结果显示45°风载引起的塔柱内力约为 0°风载的 2倍，对方形布置塔架，45°风载起控制内力作用，分析引起此现象的原因，主要是45°风向下，风荷载作用相对较大，且由0°风向的4根塔柱转变为45°风向的2根塔柱来抵抗倾覆弯矩。

从构件内力来看，横杆及斜腹杆内力较小，其截面主要为长细比控制；对塔柱杆件，其底部受力较大，为强度控制，顶部内力较小，为长细比控制。因此，对塔柱而言，底部强度控制区域宜采用屈服强度更高的Q345B钢，而其余构件采用Q235B钢。

3.2 细节构造设计

鉴于工期要求严格，为加快施工方施工进度，本工程未考虑采用相贯线连接，而采用节点板连接设计。塔架结构中，塔柱的计算长度取为横杆间长度，为防止钢管塔柱构件斜平面失稳，理论上应每层均设置横隔，但试验结构表明一般每隔2～3层设置一道横隔可以保证结构安全。采用相贯线连接，其节点处抗弯刚度较好，进而能有效阻止塔柱在斜平面发生失稳问题，而采用节点板连接，其刚性较差，增加了钢管塔柱斜平面失稳的风险，为解决这一问题，在设计时，同层横梁间设置加劲肋，增强节点的刚度，从一定程度上保证了结构的安全裕度。

在设计中，还应注意塔架杆件防振措施，控制构件的临界风速不小于15m/s，以降低微风风振的发生概率。

内筒在塔架横隔处与横隔杆件连接，其连接点需保证二者间的水平向随动和垂直向独立，还应注意内筒在温度升高时的膨胀问题，另外在节点设计时，为减缓内筒应力集中，连接点处在内筒上设置刚性环，如图5所示。