三管自立式钢烟囱加固分析与研究

陈煊 杜富强 郑云 赵松涛

(中冶建筑研究总院有限公司 北京100088)

引言

三管自立式钢烟囱常见于炼钢企业中，20世纪初我国对该结构形式的烟囱应用较多，其结构形式一般为在三管间设置联系桁架，形成整体或共同受力。近些年已有学者提出了管-连系梁的体系[1]，简化了结构体系。早期的研究设计[2]将三管以简化平面桁架作为计算方法，将三管及桁架作为一个整体进行受力验算。而实际在受力过程中，管道和空间桁架的刚度相差较大，简化平面桁架方法已不适用于三管自立式烟囱的计算。随着有限元方法的日益成熟，对于三管自立式烟囱的承载力验算可以较为准确地反映结构实际受力情况。

三管烟囱内部在使用多年以后由于防腐失效，导致管道内壁腐蚀变薄，存在严重安全隐患，许多相同构造的烟囱均存在类似的问题。本文依据某钢铁企业三管自立式烟囱实例，测试了烟囱的实际壁厚，分析了锈蚀后烟囱的承载力，通过各加固方法比选，确定了烟囱的具体加固技术方案。

1 锈蚀检测

1.1 项目概述

山东某钢铁企业转炉一次除尘的三管自立式钢烟囱建于2007年，三根烟囱管径1420mm，壁厚10mm，每隔12m设置一道连系桁架，共设置5道连系桁架。烟囱总高60m，三钢管的布置呈等边三角形，且三角形的边长沿高度方向均匀变化。0m标高处三角形的边长为8660mm，60m标高处其边长为3464mm。烟囱所用钢材牌号为Q235B。

1.2 锈蚀检测结果

沿高度方向分别对三根烟囱管壁壁厚进行测量，并结合已使用年限对该烟囱的腐蚀速率进行推算。检测结果及腐蚀速率推算见表1及表2。

表1 管壁剩余厚度检测结果Tab.1 Test result of remaining thickness of pipe wall

表2 管壁腐蚀速率计算结果Tab.2 Calculation result of corrosion rate of pipe wall

根据表1管壁厚度检测结果，三管自立式烟囱三根管的锈蚀程度均十分严重，其中2#柱的锈蚀程度最严重，30.0m标高以下的锈蚀率普遍高于25%，局部锈蚀率最高达36%。

根据表2管壁腐蚀速率计算结果，2#柱30m以下部分钢材腐蚀速率较高，其平均腐蚀速率为0.29mm/年；2#柱30m以上部分、1#柱和3#柱的腐蚀速率较均匀，平均腐蚀速率为0.20mm/年。考虑到投产使用前几年防腐涂料保护作用，目前实际锈蚀速率应大于0.20mm/年，按照此腐蚀速度，后续使用不到5年，测点最薄处管壁厚度将不足5mm，严重影响生产安全。

2 承载力分析

2.1 有限元模型

使用Midas有限元软件对三管自立式烟囱进行建模分析，有限元模型见图1。根据初步分析，该烟囱三个主管道为压弯构件，三管间的联系桁架为空间桁架体系，杆件均为二力杆。因此建模采用梁单元模型，边界条件为三管底部固接，桁架节点设为铰接。为符合工程实际现状，钢管壁厚度按照最不利情况设置为6mm。

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

2.2 模态分析

根据建立的有限元模型对三管自立式烟囱模态进行分析，计算得到前4阶固有频率及周期结果，如表3所示。

表3 烟囱自振频率及周期Tab.3 Chimney natural vibration frequency and period

2.3 体型系数μs计算

根据《烟囱设计规范》(GB50051—2013)条文说明5.2，当迎风面挡风系数φ＞0.5时，μs值随着φ的增大而增大，特别是在d·v≥6m2/s时。遵守这一规律，对于三个排烟筒一般均属于φ＞0.5，d·v≥6m2/s的情况(d为管径，v为风速)。推荐三个排烟筒的整体风荷载体型系数为:

式中:挡风系数φ=迎风面构件的净投影面积/迎风面轮廓面积。

为尽量保证体型系数计算符合实际，本文选取公式(1)计算体型系数，计算最大挡风系数φ=0.582，相应体型系数μs=1.233。

2.4 风荷载计算

根据设计条件，该烟囱基本风压w0为0.40kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

1.横风向风振

按《烟囱设计规范》(GB50051—2013)[4]第5.2.4条规定，对于自立式结构钢烟囱，应根据雷诺数的不同情况进行横风向风振验算。雷诺数的计算公式如下:

式中:v为计算高度处风速，计算烟囱筒身风振时，可取v=vcr，j；d为结构截面的直径，当结构的截面沿高度缩小时(倾斜度不大于0.02)，可近似取2/3结构高度处的直径；Tj为结构第j振型的自振周期，验算亚临界微风共振时取基本自振周期T1；St为斯脱罗哈数，对圆截面结构取0.2。

根据式(2)及式(3)计算得到第1～4阶振型的Re值范围介于3×105～3.5×106之间，故可不计算横风向共振荷载。

2.顺风向风荷载

按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[5]第8.1.1条规定，风荷载标准值wk按:

式中:βz为高度z处的风振系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压。

按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[5]第8.4.3条规定，顺风向风荷载风振系数βz按:

式中:g为峰值因子，可取2.5；I10为10m高度名义湍流强度，对应B类地面粗糙度，可取0.14；R为脉动风荷载的共振分量因子；Bz为脉动风荷载的背景分量因子。R与Bz的值按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[5]第8.4.4～8.4.7条规定计算。

对10m、20m、30m、40m、50m、60m高度的风荷载参数按公式(4)分别进行计算，对应计算结果如表4所示。

表4 风荷载标准值计算结果Tab.4 Calculation result of wind load standard value

2.5 承载能力计算

1.荷载条件

三管自立式烟囱的验算分为承载力极限状态及正常使用极限状态，包括恒荷载、风荷载、温度荷载、活荷载、地震荷载等。根据分析，三管自立式钢烟囱起控制作用的荷载主要有恒荷载、风荷载、温度荷载、活荷载，其中恒荷载按照实际自重取值，风荷载按照计算结果取值，温度荷载按照2个主管道升温50℃的温度条件取值，活荷载按照原设计规定取值。

承载力极限状态及正常使用极限状态分别按照以下组合计算:

(1)根据《烟囱设计规范》(GB50051—2013)[4]3.1.4～3.1.7条规定，承载力极限状态计算的基本组合分项系数及组合值系数按照规范中表3.1.6、表3.1.7规定取值。由于三管自立式钢烟囱温度荷载为长期作用，故采用1.35G+1.4W+1.0T组合进行计算。

(2)正常使用极限状态设计按照1.0G+1.0W+1.0T组合。

2.计算结果

(1)承载能力极限状态计算结果:1#、2#、3#柱的最大验算比(作用效应与构件抗力的比值)为1.335，承载力均不满足《烟囱设计规范》(GB50051—2013)[4]的要求；柱之间各标高的连系桁架承载力均不满足《烟囱设计规范》(GB50051—2013)[4]的要求。局部桁架验算结果见图2。

图2 局部桁架验算结果Fig.2 Truss partial results

(2)正常使用极限状态计算结果:结构整体的最大位移为57.2mm，位移比为1/105，位移比满足现行《烟囱设计规范》(GB50051—2013)[4]的要求。

3 加固方案分析

根据此结构实际腐蚀速率及承载力验算结果，按照不同加固量提出三种加固方案。各加固方案示意见图3，图中红色构件为加固构件。

图3 加固方案Fig.3 Reinforcement scheme

3.1 方案一

该加固方案为沿高度方向新增一道连系梁，并将原连系桁架更换为连系梁。此方案预期后续使用2年。

根据现场实测结果，2#管2年后预计剩余最薄厚度5.8mm。根据有限元分析结果，结构强度与整体稳定均满足要求。而根据局部稳定验算结果，主管道局部荷载抗力效应比为1.33。故此方案不能满足后续使用2年要求。

3.2 方案二

该加固方案为仅对2#管进行包钢加固，包钢厚度10mm，其余加固方案同方案一。此方案预期后续使用年限2年。

根据现场实测结果，1#管、2#管2年后预计剩余最薄厚度7.0mm。根据有限元分析结果，结构强度与整体稳定均满足要求。而根据局部稳定验算结果，主管道局部荷载抗力效应比为1.11。故此方案仍不能满足后续使用2年要求。

3.3 方案三

该加固方案为对3个主管24m标高以下进行包钢加固，包钢厚度10mm，其余加固方案同方案一。此方案预期后续使用年限5年。

根据现场实测结果，3个主管5年后预计剩余最薄厚度6.0mm。根据有限元分析结果，三管24m以下部分按照10mm厚度计算强度及整体稳定效应抗力比为0.711，局部稳定验算效应抗力比为0.95；24m以上部分按照6mm计算强度及整体稳定效应抗力比为0.598，局部稳定验算效应抗力比为0.84。考虑计算较为保守，故此方案可满足后续使用年限5年的要求。

4 方案三技术比选

方案三涉及两个部分:一是采用外部贴焊钢板的方式对3个管道进行加固；二是增设连系梁。

外部贴焊钢板加固方式按照不同构造分为两种方法:(1)沿高度方向每隔一段距离施焊一环形隔板，并在环形隔板上焊接10mm厚的外包钢板。方案示意见图4a；(2)直接将10mm厚的外包钢板与原管壁焊接，在外包钢板接缝处采用坡口焊，并将外包钢板与原管壁进行塞焊连接。方案示意见图4b。

图4 包钢加固构造Fig.4 Encircle steel reinforcement structure

对比这两种技术，方法(1)外包钢板与原结构通过环形隔板连接的构造使得原钢管壁需要通过隔板连接来传递受力，冗余度较低，随着腐蚀加剧，环板可能出现脱落问题；方法(2)将新增钢板与结构通过塞焊方式直接连接，并且在钢板边界位置均有焊缝连接，简化了传力途径，增加了连接的冗余度和可靠性。因此方法(2)更加合理可靠，故选择方法(2)作为加固方案。

连梁与管壁的连接构造为在24m以上连梁与管壁连接位置外包10mm钢板，并且在与连梁连接处增设肋板，梁与肋板采用栓焊连接方式。连接方式见图5。经验算节点处构件及连接的承载力满足要求。

图5 连梁节点加固构造Fig.5 Tie beam joint reinforcement structure

5 结语

根据对现状承载力分析，三管自立式烟囱桁架及主管承载力均不满足《烟囱设计规范》(GB50051—2013)要求。通过加固方案技术比选，最终采用塞焊连接方式进行主管加固，并在上部连梁的节点处将管壁进行包钢加固，连梁与管壁采用栓焊连接方式可满足节点处构件与连接的承载力要求，延长烟囱的使用寿命。