四边形塔架式钢烟囱结构的设计研究

夏怀鹏，王争荣，汪洋，胡小夫，吴冲

(中国华电科工集团有限公司，北京 100070)

0 引言

塔架式钢烟囱因用钢量小、占地面积小、建造周期短，在电厂近年来的超低排放改造工程中受到越来越多业主的青睐。

塔架式烟囱是一种新型的烟囱形式，由钢结构塔架和钢烟囱整体受力[1]。塔架的刚度较大，可以给烟囱提供侧向支撑，从而控制烟囱的顶部位移。烟囱在自身刚度容许的范围内，尽可能地提供侧向支撑，刚度不足部分由钢结构塔架提供[2]。塔架是钢框架结构，烟囱是筒体结构，2种不同形式的钢结构共同受力、协调变形，在设计上存在较大的难度。

本文以四边形塔架式钢烟囱为例，利用有限元软件MIDAS对该结构进行了建模，根据实际情况对结构和荷载组成进行了模拟，并通过大量的计算明确该结构在不同荷载工况下的受力性能和形变特点，对四边形塔架式烟囱的设计提供改进建议。

1 四边形塔架式钢烟囱结构模型

四边形塔架式钢烟囱结构由四边形的钢结构框架和筒体烟囱组成，类似传统的框架核心筒结构，其外部的塔架为框架结构，内部的烟囱为筒体结构，两者协同受力、协调变形，共同组成了一个整体结构。

通过MIDAS软件建立了该结构的有限元模型：烟囱高度为100.0 m，底部直径为6.0 m，出口直径为5.5 m；塔架高度为70.0 m，塔架平面尺寸为6.6 m×6.6 m，每层高度为5.0 m，共14层；塔架底部增加了1个副跨，跨度为6.6 m，距离塔架4.5 m，共4层，用于支撑通过的其他管道；副跨与塔架采用铰接连接。钢框架采用MIDAS里面的梁单元，烟囱本体采用壳体单元来模拟。根据计算精度的需要，结构上部的网格划分比较大，底部的网格加密，如图1所示。

图1 四边形塔架式烟囱有限元模型Fig.1 Finite element model of quadrangle tower-frame chimney

图2 结构的前4阶模态Fig.2 The first four order mode of the structure

2 四边形塔架式钢烟囱模态分析

此类结构水平荷载的计算与结构自振周期有关。通过MIDAS软件建立的有限元模型进行试算。在确定结构构件的基本大小之后进行模态分析，确定结构的自振周期，然后可以计算该结构的风荷载和地震荷载。结构的前四阶模态均为整体变形的模态，如图2所示。前两阶模态周期短且接近，为结构主控模态，第三阶及之后的高阶模态自振周期都很大，计算时可以不考虑。

烟囱的前两阶模态是垂直于塔架立面的整体弯曲变形，因此模态受底部开洞的影响很大，需根据开洞的位置和大小进行分析[3]。通过有限元软件分析得出，烟囱底部开洞较小时(如四边形塔架烟囱结构的第一模态)，对角线方向受载整体弯曲。当烟囱底部开洞较大时，烟囱底部的刚度被大大削弱。

从结构的第一模态计算可以得出结构的第一周期，T1=1.216 s。结合《建筑结构荷载规范》可以计算得到结构的风荷载和地震荷载。

3 四边形塔架式钢烟囱结构受力分析

通过建模分析可知，四边形塔架式钢烟囱结构是由2种不同类型的钢结构组合产生的新型结构，其受力兼具2种结构的特点，又与其不同。塔架和筒体之间采用滑动连接，可以传递水平作用力，组合结构共同承受水平荷载；滑动连接不能传递竖向荷载，所以塔架和烟囱分别承受各自的竖向荷载。

四边形塔架式钢烟囱结构所受荷载主要包括结构自重、平台活荷载、积灰荷载、裹冰荷载、烟气压力、风荷载、地震作用及温度作用。该项目属于超净改造项目，平台又很小，积灰可以忽略不计；烟囱位于南方地区，常年温度都高于零度，所以没有考虑裹冰荷载；烟气压力通过计算可以忽略不计。因此，该烟囱的设计主要考虑了恒荷载(G)、活荷载(Q)、风荷载(W)、地震作用(E)和温度作用(T)。根据有限元计算结果，水平荷载(主要是风荷载和地震荷载)控制该结构的设计，水平荷载的加载要考虑荷载的最不利加载方向。此次设计考虑了11种荷载组合[4]，见表1。

烟囱设计规范规定，四边形塔架烟囱受正面方向和对角线方向的外力作用。设计时应根据计算出的水平荷载，对模型进行X方向、Y方向、对角线方向的加载。图3为最不利荷载组合下结构的位移。

从加载后的结构位移来看，X向加载时的位移>Y向加载时的位移>对角线方向加载时的位移。3个方向加载的位移比都满足1/150的控制要求[5-6]。由此可见，在此类烟囱结构底部开洞，减弱了Y向的结构刚度；对角线方向结构刚度最小，因此位移最大。结构设计时应该取3个方向加载时结构响应最大的情况进行校核。

图3 最不利荷载组合下的结构位移Fig.3 Displacement of structures under the most unfavorable load combination

表1 荷载组合Tab.1 Load combinations

在设计柱脚锚栓时，也应该根据3个方向加载最不利的情况进行设计。一般情况下，对3 个方向加载时，塔架和烟囱对应方向上的柱脚反力最大。

四边形塔架烟囱属于高耸结构，结构的平面和立面宜规则，结构的侧向刚度沿高度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变[7-8]。因此，塔架和烟囱可以通过采用调整截面大小来改变结构的刚度，使结构刚度自下而上均匀变化。

4 温度荷载的影响分析

如果烟气温度比较高的话，高耸无隔热层的钢烟囱会在高温烟气温度的长时间作用下基本达到烟气的温度。受热的烟囱会因热膨胀而变形，在垂直方向和径向上膨胀变大。受热变形属于内力自平衡的过程，只要保证烟囱在热作用下能够自由变形，烟囱本身就不会产生热应力。因此，除了烟囱的底座部位，其他部位基本都可以自由膨胀、变形，温度应力很小。但是烟囱底座受到锚栓的约束作用，在约束部位存在很大的温度应力，且烟囱底座的底板越厚，温度应力就越大。

在烟囱升温达到162 ℃时，烟囱底座底板部分的温度应力就会超过设计值，因此需要根据应力的设计值对底板厚度进行调整，并在烟囱支座底部采取构造措施，使烟囱底座在温度作用下发生微小的膨胀滑移以释放温度应力。

5 烟囱与塔架的连接节点处理

四边形塔架式钢烟囱结构类似传统的框架核心筒结构，外部的塔架是框架结构，内部的烟囱是筒体结构，两者协同受力、协调变形，共同组成了一个整体结构。随着排烟温度的上升，烟囱的温度会随着烟气的流通而上升，并在轴向和径向上均发生膨胀；而塔架基本上处于常温状态，因此热变形很小。两者的形变在连接部位差别很大，因此，要在两者连接的地方采取构造措施，使塔架与烟囱滑动连接，以相互传递水平荷载而并不限制竖向的位移。这种节点是该结构受力的关键所在，必须根据温度形变确定好节点的构造。

本文结构采取的节点样式如图4所示，在烟囱壁板上焊接槽钢，塔架上的牛腿伸进槽钢里，并留有5 mm的间隙，内衬5 mm的聚四氟乙烯板。当烟囱随温度变化引起的变形时，槽钢可以在卡槽内上下移动，同时不影响和塔架支架传递水平力。

图4 连接节点构造Fig.4 Connection node construction

6 结论

(1)从本文的分析可以看出，四边形塔架式钢烟囱是一种组合钢结构，受力比较复杂，需要通过有限元软件模拟受力状态。应通过模态分析，确定结构的自振周期，进而计算结构所受风荷载和地震荷载。

(2)没有做隔热的钢烟囱底部受温度应力的影响很大。为减小此处的热应力，塔架和烟囱支架可采用滑动连接。