某在役塔架式钢烟囱外立面封闭后风振及结构安全性分析

王建强，朱文俊，庄继勇，刘俊，王九根，王华丹，方浩峰

（1.宝武装备智能科技有限公司，上海 201900；2.宝山钢铁股份有限公司，上海 201900；3.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055）

0 引言

目前钢烟囱应用越来越广泛，一般钢烟囱包括自立式、拉索式和塔架式三种形式[1]。某钢铁厂在役塔架式钢烟囱于2007年投产使用，服役已接近15年，现因城市天际线美观及工艺改进的需要，计划对其外立面进行包裹封闭改造，由于该构筑物位于风压较大区域、近长江入海口，距离长江江边约1km，且属于风荷载敏感的结构，外侧包裹蒙皮后迎风面积将明显增大，风荷载作用影响显著[2]，为了解封闭后塔架结构承载力是否满足规范要求，确保改造后塔架结构安全使用，需对该塔架式钢烟囱进行风振及结构安全性专项计算分析，为该塔架式烟囱立面封闭改造项目提供了技术依据。

1 概况

该塔架式钢烟囱采用四肢钢管塔架，毗邻某轧钢主厂房，塔架总高度为47m，共分9层，每层层高约为5.2m，塔架平面呈矩形，标高±0.000m处平面尺寸为8.0m×8.0m，平面尺寸沿高度内收，至标高21.1m处平面尺寸为7.0m×5.5m，该高度范围内四肢柱的钢管型号均为Φ500×16，标高2.1m～47.0m间平面尺寸均为7.0m×5.5m，该高度范围内四肢柱的钢管型号均为Φ500×12。塔架沿高度间隔5.2m设有平台，平台梁主梁 截 面 尺 寸 均 为 BH400×400×10×16mm，主梁与塔架柱刚接，平台板采用6mm花纹钢板，四周钢管柱每层均设柱间支撑，塔架设有钢楼梯，可直达47.000m平台。塔架式钢烟囱底部下部采用桩基承台，设49.7m长PHC500AB桩。塔架和烟囱本体均采用Q235B钢材，塔架结构的钢材表面采用喷砂除锈，油漆三层（底漆+中漆+面漆），总厚度140μm，烟囱筒体采用喷射除锈，外壁油漆两层（底漆+面漆），总厚度120μm，内壁仅涂底漆，厚度60μm。

现因钢厂融入所在城市天际线美观及生产工艺改进的需要，计划对47m高的塔架外立面采用镂空铝板进行封闭改造。封闭改造前后实景见图1，塔架式钢烟囱立面见图2示。

图1 封闭改造前后实景图

图2 塔架立面图

2 塔架结构风振分析

现行规范[3]仅通过地面粗糙度和建筑物间的互相干扰系数，对受风荷载影响敏感程度、周围建筑物对其风荷载的增大效应进行粗略考虑。因此，为准确分析外侧包裹蒙皮后风荷载对塔架结构承载力的影响，采用数值风洞模拟计算的方式，为该塔架构筑物的风荷载取值进行分析，为塔架整体验算提供技术数据。

2.1 数值模拟风荷载建模分析

采用数值模拟软件，通过数值风洞模拟方式，计算该塔架烟囱结构以50年重现期风压条件下，数种工况作用下塔架表面风荷载分布情况（分为0度、90度、180度及270度四个方向，顺时针布置），包括塔架表面的平均压力云图、风场速度矢量图、等效静力风荷载等，部分模型及风场布置见图3。

图3 180度工况流场速度矢量图

2.1.1 风荷载的数值模型建立

考虑到塔架底部外形的变化相对整体结构不明显，对烟囱塔架和周围建筑的大致外形建立简化模型，如图3所示。建筑物的计算区域(X，Y，Z)以该塔架为中心，考虑长700m、宽420m、高150m的范围。在塔架模型表面设置边界层，同时设置加密区，以保证最终计算更易收敛、并保证精确度。

①模型边界条件的设定

合理的边界条件是流场控制方程有确定解的前提，边界条件的选取直接影响到数值模拟计算的精确性。本文对风效应数值模拟中的边界条件进行设置。

a空气相的边界

入流面采用速度入口边界条件，定义入口处速度U、湍流动能k、湍流耗散率ε。风速U(Z)采用速度随距地表高度呈指数型变化的平均风剖面输入。

式（1）中，Z为距地表高度，U(Z)为Z高度处风速，Z0为参考高度，U0为参考高度处的风速。我国《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）中根据地形将地面粗糙度为A、B、C、D类，四种地面粗糙度对应的地面粗糙系数分别为0.12、0.15、0.22、0.3，本次根据实际工程环境取0.15。

b壁面的边界条件

本项目分析研究的是钝体周围风的运动，认为周围建筑物是固定不变形的，因而建筑物采用无滑移的壁面条件。建筑物计算域的侧面、顶部采用自由滑移的壁面条件，指定壁面剪切应力为0。

2.2 分析出的等效静力风荷载（50年）

通过采集两个方向的风场数值模拟，得出各种工况的风向角荷载，在塔架有限元模型中的施加作用，并将面荷载等效为层高处集中荷载，部分等效风荷载详见表1～2。

0度风向角各层等效静力风荷载 表1

90度风向角各层等效静力风荷载 表2

2.3 数值模拟风荷载分析结果

通过对该塔架烟囱进行风洞数值模拟，分析结果如下。

①因为塔架结构近距离存在大型建筑，使得流场变得复杂，来流风在结构迎风面上部、侧风面的边缘处产生了分离和再附，所形成的漩涡会直接改变近壁面的风速场，这是对其表面风压分布规律产生影响的主要因素。

②结构表面的风压分布对其朝向有严重依赖性。这主要是因为塔架结构附近厂房对其周围流场产生较大影响，在90度工况时塔架结构表面的平均压力云图上限值比0度工况时增大10%以上，因为此时厂房在塔架背后阻挡了大范围的来流风，加强了“狭道效应”。此外，若90度来流风完全反向，则会因为厂房在前方阻挡，塔架表面风作用将减弱，同理，0度工况中来流风从厂房远端吹来时，位于更后方的塔架周围流场将受到其分离区的影响，导致结果偏小。所以，本次研究分析中的0度和90度两个方向来流都选择了在建筑物纵向、横向上的控制工况。

③运用大涡模拟亚格子模型，结合合适的湍流入口生成方法能够对塔架结构的风荷载及风致响应进行有效的预测，经过计算得到的部分层间部位等效静力风荷载略大于规范（10%以内）。

3 塔架结构安全性分析

3.1 塔架结构有限元建模

采用有限元软件sap2000v23对塔架烟囱整体进行建模计算分析。主要是通过整体模型，得到结构层面、构件层面的内力及变形情况。

烟囱采用4节点薄壳单元，单元最大剖分尺寸为1000mm，烟囱底部同样采用法兰盘连接，在底部采用铰接约束作为烟囱的支座边界条件。塔架钢结构柱、梁及支撑采用2节点梁单元进行建模，支撑与楼面次梁采用铰接约束，释放单元端部转动自由度。四根立柱在底部均采用高强螺栓法兰连接，采用刚接约束作为支撑框架部分的支座边界条件，外塔基与烟囱之间设置了双向可滑动约束节点，沿高度方向有四个楼层设置了该滑动装置。

3.2 塔架结构有限元分析加载

重力荷载按图纸考虑，风荷载根据风场模拟结果，按照表1和表2取值根据楼层进行施加，以线荷载施加至对应方向的楼层外圈梁上，按照规范要求考虑地震荷载及荷载组合。结构振型图及位移云图见图4、图5。

图4 结构振型图

图5 X方向风荷载位移云图（mm）

3.3 塔架结构承载力安全性分析

3.3.1 塔架上部结构承载力分析

①塔架结构变形计算结果分析

对风荷载标准值作用下结构的变形进行输出，X方向顶部位移最大值为63mm，Y方向顶部最大位移为35mm。

对地震作用下结构的变形进行输出，X方向顶部位移最大值为21mm，Y方向顶部最大位移为18.2mm。

对比可知，风荷载作用明显高于地震作用。风荷载、地震作用下的塔架烟囱水平位移均满足规范限值要求。

②塔架结构强度计算结果分析

塔架烟囱外侧标高±0.000m～47.0m间外包铝镂空装饰板包裹封闭改造后，经过计算分析，外侧塔架梁、柱支撑的应力比均小于1.0，外侧塔架的钢结构杆件满足规范要求[4]，其中底层柱的应力效应比最大，应力比为0.443，上部塔架烟囱的结构承载能力可以满足要求。

③烟囱与塔架间滑动支座分析

提取所有滑动支座处连接单元的变形值，风荷载作用下支座处沿筒径方向的相对变形最大值为2.76mm，相对竖向变形最大值为1.31mm，说明外侧塔架与烟囱本体之间相对变形较小，两者协同工作状态较好。

④塔架底部柱脚节点计算分析

增加外蒙皮后，需要对结构柱脚节点重新验算，模型中有4个柱脚，构造相同，采用8根M60的锚栓，锚栓为8根M60，强度等级为Q235，锚固长度为1200mm。经过计算分析，烟囱外侧塔架肢柱柱脚节点锚栓等承载力满足要求。

综上所述，塔架烟囱外部包裹封闭后，塔架结构在风荷载、地震作用下的水平变形均满足规范限值要求，塔架上部结构强度等承载能力满足要求。

3.3.2 塔架下部基础承载力分析

塔架外侧包裹处理后，风荷载增加，需要对桩基的抗拔和抗剪重新进行验算。该塔架烟囱下共设14根管桩。

依据上部荷载，经过计算，桩基础的竖向承载力满足要求，基础下预应力管桩单桩水平承载力不满足规范要求[5]。

3.3.3 处理意见

针对下部预应力管桩的水平承载不满足规范要求的问题，建议可采用基础底板扩大并补桩或对基础进行注浆等方法进行加固处理，同时建议后续应采用穿孔率及孔径均较大的外包镂空铝板，便于增大透风和散热效果。

4 结语

文章采用数值模拟和有限元方法，对某在役塔架式钢烟囱外立面封闭后风振计算及结构安全性分析，并提出了相应后续加固处理建议，为该塔架式烟囱立面封闭改造后的安全使用提供技术依据，可供同类工程参考。