塔架式钢烟囱受力分析

李永辉 江晓瑜 张 娟 王跃林 张玉朴 许文斐 徐 丹

(1．中国重型机械研究院股份公司，陕西710032；2．西安科技大学，陕西710054；3．衡水科技工程学校，河北053000；4．太原理工大学，山西030024)

塔架式钢烟囱受力分析

李永辉1，2江晓瑜3张 娟1王跃林4张玉朴1许文斐1徐 丹1

(1．中国重型机械研究院股份公司，陕西710032；2．西安科技大学，陕西710054；3．衡水科技工程学校，河北053000；4．太原理工大学，山西030024)

通过对塔架式烟囱的各种载荷分析，用有限元方法对烟囱及框架进行受力分析，得出烟囱及框架各点的受力情况，并对其各部分位移情况进行分析，合理选取框架结构和型材，保证钢结构支架的强度、稳定性及设计的合理性。

钢烟囱；受力分析；风载荷；有限元

目前，我国转炉炼钢行业内，转炉煤气一次除尘系统烟囱多采用钢结构烟囱，既提高了建设速度，又节约了建设成本。同一车间几座烟囱同时建设时，几根烟囱可以连成一个整体，互为支撑，但是由于转炉数量或场地限制而需要单独建立单根烟囱时，就需要对烟囱进行钢结构框架支撑。本文通过对塔架式烟囱的各种载荷分析，用有限元分析方法对烟囱及框架进行受力分析，得出烟囱及框架各点的受力情况，并对其各部分位移情况进行分析。

1 塔架式烟囱计算的理论依据

1.1 结构及设备自重

结构及设备自重按荷载规范的有关规定进行计算。计算塔架自重时，应考虑节点板、法兰盘及焊缝的重量，一般可按塔架构件的自重乘以系数1.15～1.20。

1.2 活荷载

塔架上的检修平台、休息平台以及航空障碍灯维护等平台上的荷载均属活荷载。检修平台活荷载可根据实际情况确定，但不得小于3 kN/m2，顶层平台应考虑积灰荷载，休息平台单个杆件集中荷载不小于1 kN，均布荷载可取2 kN/m2。

1.3 风荷载

风荷载对塔架结构起着决定性作用。由风荷载引起的结构内力约占总内力的80%～90%。因此，在塔架钢烟囱设计中，尽量减少风阻力，是一个很重要的问题。

各种截面型钢的体型系数取值为μs=1.3，对于圆形截面杆件，其体型系数取决于雷诺数。一般情况下，当圆形截面杆件的直径较小时，取μs=1.2；直径较大，且H/d≥25时，取μs=0.6。因此，圆形截面杆件对风的阻力最小。

为了简化计算，在风荷载计算中，所有连接板的挡风面积不予单独计算，仅将杆件总面积予以适当增大。对于圆钢结构和钢管结构，系数增大，体型系数可取1.1，对于圆钢组合结构和型钢结构，系数可取1.15～1.2。

对于高耸结构除应进行顺风向荷载计算外，还应进行横风向振动验算。

1.4 裹冰荷载

在空气湿度较大的地区，当气温急剧下降时，结构物的表面会有结冰现象，即成为裹冰。结冰主要取决于建筑物所在地区的气象条件，即空气湿度的大小和气温的高低。寒冷的地区不一定是裹冰最厚的地方，较温暖的地方也不一定是裹冰较薄的地方。在同一地区离地面越高，裹冰越厚。一般，裹冰是在无风或弱风时发生的。在计算时，应与中等强度的风同时考虑，组合系数取ψcw=0.6。裹冰时的温度按-5℃计算。

1.5 温度荷载

塔架平台与烟囱本体之间的连接一般采用滑道连接，纵向可自由变形。滑道应留有足够的横向膨胀间隙，以保证横向自由变形。塔架结构的温度应力和温度变形一般可以不予考虑。

1.6 地震荷载

在抗震设防区则应考虑地震荷载。

根据各种因素所占比重，设备结构、自重及风载荷是影响烟囱及框架稳定性的主要因素，本文采用ANASYS对塔架式烟囱进行受力分析，以设备重量为边界条件进行模拟分析。

2 计算基本数据

塔架式钢烟囱本体总高为75 m，底部标高0 m，顶部标高+75 m。筒身直径下部为2.8 m，上部为2 m，管壁逐渐变薄；钢结构框架为6 m×6 m方框架，底部选用350 mm×350 mm的H型钢，顶部选用250 mm ×250 mm的H型钢，中间加斜撑加固。

按华北地区50年一遇10 m高处最大风速V=26.7 m/s，由此计算出基本风压为：

空气密度为1.25 kg/m3；地面粗糙度为B类。

3 风载计算

3.1 计算简图

将烟囱按高度分成8段，每段高度为10 m，最上面一段5 m，每段重心作用于高度的中心点，如图1所示。

3.2 钢烟囱的自振周期

按GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》标准，钢烟囱的第一自振周期为：

T1=(0.007～0013)H

式中，T1为烟囱结构的第一自振周期，单位为s；H为烟囱离地面的总高度，取H=75 m。

则T1=0.525 s～0.975 s

钢结构自振周期取最高值，即得钢烟囱自振周期约为1 s。

3.3 顺风时作用于烟囱各分段中点处的风压

风荷载的标准值为：

WK=βzμsμzW0

式中，βz为高度Z处的风振系数；μs为体型系数；μz为风压高度变化系数；W0为基本风压，W0=0.45 kN/m2。

图1 烟囱计算简图Figure 1 Calculating diagram of the chimney

表1 各点风力计算Table 1 Wind force calculation of various point

注：(1)βz、μs、μz各系数是从《建筑结构荷载规范》按插值法计算得出的。 (2)WK是作用于烟囱外表面的均布荷载值，是按前面分段算出的。 (3)迎风面积F是根据烟囱外形计算的。

各点风载荷计算结果见表1。

作用于各分段中点处的风压水平集中力Pi为：

Pi=WkF

各点顺风向风荷载水平力标准值为：

P8=15.24 kN

P7=26.47 kN

P6=21.79 kN

P5=14.42 kN

P4=11.18 kN

P3=7.91 kN

P2=6.144 kN

P1=3.164 kN

3.4 钢烟囱横风向各点的风压

钢烟囱横风向各点所受风压如表2所示。

表2 烟囱横风向各点所受风压Table 2 Wind pressure of various point on the chimney under transverse wind load

4 有限元计算

4.1 计算模型及网格划分

塔架及烟囱的三维模型如图2所示，采用六面体网格划分如图3所示。

4.2 计算载荷

考虑塔架及烟囱的自重，并对烟囱柱面施加压强载荷，载荷数值如表3所示。

图2 烟囱及塔架三维模型Figure 2 Three dimensional model of the chimney and frame

图3 烟囱及塔架网格划分局部图Figure 3 Local grid division of the chimney and frame

表3 施加载荷数值Table 3 Loading values

4.3 计算结果

4.3.1 变形量

从图4可以看出，最大变形量发生在烟囱顶部，约为0.215 m。

4.3.2 等效应力

从图5可以看出，忽略局部尖点的应力集中，最大应力发生在上部支架与下部支架的结合位置(A处)，数值约为150 MPa，按Q235钢强度考虑，安全系数为1.6，此处应加强。此处等效应力最大，由于塔架此处为两种型号的型材搭接处，属于尖端受力，因此实际搭接时注意加强连接处，即可消除此处的最大应力，即A处无限加强，则框架成为一体时，最大应力(外侧为拉力，内侧为压力)应在整体框架的最底部，因此只要塔架型钢连接处足够加强，则A处的最大应力可不考虑。

图4 烟囱及塔架变形量Figure 4 Deformation amount of the chimney and frame

图5 烟囱及塔架等效应力Figure 5 Equivalent stress of the chimney and frame

另外，支架下部(B处)等效应力也较大，约为60 MPa，可见支架的根部受力也较大，与理论推导相同。等效应力的动载系数取2，此处按Q235钢强度计算，安全系数约为2左右，满足烟囱及框架的强度要求。

C处为烟囱根部，等效应力较大，约为66 MPa，D、E两处为支架对烟囱的支撑位置，等效应力也较大，约为75 MPa。也满足烟囱及框架的强度要求。

5 结论

通过对塔架式钢烟囱及塔架的受力分析，得出支撑烟囱的塔架最底端受力最大，且塔架与基础之间的地脚螺栓要选取强度较大的，且基础载荷要增大安全系数。塔架型钢之间连接处要注意加强强度，并选取合适强度的型材，以保证钢结构支架的强度和稳定性。通过受力分析，还能在烟囱建立不同高度和直径时，合理选取框架结构和型材，达到在保证强度和稳定性的前提下减轻设备重量。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50051—2013，烟囱设计规范[S].中国计划出版社，2013.

[2] 中华人民共和国建设部和中华人民共和国国家质量监督检验疫总局.GB50017—2003，钢结构设计规范[S].中国计划出版社，2003.

[3] 李永辉.转炉煤气一次除尘湿法改干法的工程应用实例[J].中国重型装备，2016(3)：25-26.

[4] 鲍巍.烟囱钢塔架机构设计与分析[J].低温建筑技术，2015(7)：78-80.

[5] 张树明.40 m烟囱塔架机构设计与分析[J].科学之友(B版)，2009(1):6-8.

[6] 孙婧.浅谈塔架式钢烟囱的设计[J].城市建设理论研究，2013(20).

编辑 陈秀娟

Force Analysis of Framed Steel Chimney

Li Yonghui,Jiang Xiaoyu,Zhang Juan,Wang Yuelin,Zhang Yupu,Xu Wenfei,Xu Dan

Various loads of framed steel chimney have been analyzed and meanwhile force analysis on the chimney and frame has been conducted by finite element method to get force situation of each point for the chimney and frame and analyze displacement situation of the corresponding parts,further matching frame structure and material have been selected to ensure strength,stability and design reliability of steel structure frame.

steel chimney; force analysis; wind load; finite element

2016—12—23

李永辉(1981—)，男，工程师，主要从事环保设备的研究与开发。

TU392

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