带外装饰自立式钢烟囱加设阻尼器的设计分析

刘智敏，刘思远，李 猛

(1.中国中元国际工程有限公司,北京 100086; 2.中建三局集团有限公司,四川 成都 610000)

0 引言

作为锅炉设备的重要组成部分,在去工业化的时代,烟囱的外型越来越新颖,保证烟囱的安全运行成为设计人员必须重视的因素。自立式钢烟囱在力学模型中属于具有一定柔性的高耸悬臂结构,结构阻尼较小,发生横风向风振时动力响应很大,横风向风振对钢烟囱起控制作用。如何消除或减小横风向风振对烟囱的不利影响,成为烟囱设计首要问题。本文将通过一个带外装饰自立式钢烟囱,对设置阻尼器与破风圈两种方案进行比较,为工程设计人员提供参考依据,使钢烟囱设计更加经济合理。

1 工程概况

河北某地一能源站,根据工艺要求需要设置2根出口直径净尺寸1 m,高63 m的烟囱。为了去工业化,甲方要求烟囱外部应设计成4 000 mm×4 000 mm方形带喇叭口。效果图如图1所示。

本项目抗震设防烈度:7度(0.1g);水平地震影响系数最大值:αmax=0.08;设计地震分组第二组;建筑场地类别:Ⅲ类;基本风压:0.40 kN/m2(50年一遇);地面粗糙度类别B类。本工程烟囱设计的主要难点,建筑形体尺寸受限,建筑场地对基础尺寸也有限制。

2 烟囱类型选择

根据建筑及工艺的资料,参照GB/T 50051—2021烟囱工程技术标准[1],此工程烟囱方案可采用钢筋混凝土套筒式烟囱(外筒为钢筋混凝土受力筒,内筒为钢排烟筒)、自立式钢烟囱(外筒为钢结构受力筒,内筒为不锈钢排烟筒,在外筒附加钢龙骨包成效果图的样式)、塔架式钢烟囱(塔架受力,不锈钢悬挂排烟筒,在塔架外附加钢龙骨包成效果图的样式)。三个方案的优缺点如下:

钢筋混凝土套筒式烟囱的优点:支模方便、工程费用造价低,一般不需维护等;缺点:结构自重大、截面刚度大、延性比钢结构差、抗震性能比钢结构差,特别是施工周期长。由于本项目施工周期受限,钢筋混凝土方案被直接否定,主要比较钢烟囱的两种方案。

钢烟囱施工快、轻便、美观、抗震性能好,缺点是需要维护,造价相对高。塔架式钢烟囱,根据《高耸结构设计标准》[2]相关规定,高宽比不应大于10,本工程烟囱总高度63 m,则底盘塔架尺寸不能小于6 300 mm×6 300 mm。远大于建筑要求的4 000 mm×4 000 mm,与建筑效果图的尺寸不符,因甲方不同意修改烟囱尺寸,即使塔架方案造价相对自立式钢烟囱要低,且施工相对简便,此方案最终也不能实施。

经分析,本工程只能选择自立式钢烟囱方案。自立式烟囱的内力一般由风荷载控制,特别是在发生横风向风振时,其荷载对烟囱的截面尺寸和变形起着决定性的作用。设计的首要任务就是判断烟囱是否会发生横风向风振。

3 烟囱具体方案设计

3.1 横风向风振的判断

预判烟囱是否会发生横风向风振(涡激共振响应),可根据GB/T 50051—2021烟囱工程技术标准第5.2.2条及GB 50009—2012建筑结构荷载规范[3]第8.5条,第j振型临界风速按下式计算:

结构顶部风速按下式计算:

雷诺数Re按下式计算:

Re=69 000vcrjD。

其中,ω0为基本风压,本工程取值0.40 kN/m2;vcrj为第j振型临界风速;Re为雷诺数;υH为结构顶部风速;D为结构截面宽度(取烟囱2/3高度处外径),本工程烟囱2/3高度处外径取4 m;Tj为结构第j振型的自振周期(由于烟囱内筒与外筒滑动连接,仅底部固定承重,故内筒仅对结构的质量有贡献,对结构的刚度贡献可以忽略,烟囱整体结构可以看成底部固定的悬臂梁,使用SAP2000对结构自振周期计算得到第一振型周期T1=1.184 s);St为斯脱罗哈数,根据规范取St=0.2;μH为结构顶部风压高度变化系数,根据规范取μH=1.74。

查询相关资料并计算得:第一振型自振周期T1=1.184 s,νcr1=16.9 m/s,υH=33.4 m/s,1.2υH=40.1 m/s,Re=4.7×106>3.5×106,1.2υH=40.1>υcr1=16.9。

根据GB/T 50051—2021烟囱工程技术标准第5.2.2条:对于混凝土烟囱和钢烟囱,当其顶部1/3高度范围内的坡度不大于2%时,且顶部风速vH的1.2倍大于vcrj时,应验算其涡激共振响应,即会发生横风向共振。

根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范第8.5.3条,当Re≥3.5×105且结构顶部风速vH的1.2倍大于vcrj时,可发生跨临界的强风共振,此时应考虑横风向风振的等效风荷载。

因此,如何减小及消除横风向风振对烟囱的影响,是本工程烟囱设计的主要任务。

3.2 减振措施方案比较

烟囱设计减小及消除横风向风振的方案主要有两种:一种设计方案是增大截面使烟囱满足承载力要求,即增大自立式烟囱的直径,使其更加稳定。这种方案会增加操作难度,增加制造成本。本工程因烟囱建筑效果图的尺寸限制,这种方案被直接否定。另一种是采取减振措施,即通过增加或更换一些装置来减少共振,从而保护自立烟囱的安全。目前国内钢烟囱设计有两种减少振动的措施:设置破风圈以及安装调频阻尼器。

3.2.1 破风圈减振方案

破风圈的工作原理:通过在烟囱最上一段加焊螺旋状绕带或者翅片(也有轴向布置的)改变烟囱规则的表面状况,来干扰空气的流向,打破风环消除规则的漩涡脱落现象,达到消除或减小横风向风振的效果。

3.2.2 安装调频阻尼器的减振方案

阻尼器的工作原理:阻尼器是以提供运动的阻力,耗减运动能量的装置。其利用摩擦力和液体阻力来消耗振动能量,当烟囱在水平地震和风荷载作用下发生振动时,阻尼器会产生相反方向的阻力,减少烟囱的振动幅度及烟囱顶部位移,从而可以减少烟囱结构整体受力,改善烟囱结构设计,使得烟囱更经济、更安全。

3.2.3 两种方案的对比

两种方案从理论数据上分析,阻尼器可以有效减小横风向风振的影响,但是不能完全消除。破风圈不仅可以减弱横风向风振,而且可以从根本上消除诱发横风向风振的因素。

从实际工程经验来看,阻尼器的减振效果不仅可以通过软件分析来判断,也可以在现场进行安装调试。对设计偏差进行校正,减振效果可以量化,比较直观、可靠。同时,阻尼器不仅对横风向风振有减弱作用,对地震工况下的水平地震力也有明显的减弱,适用于抗震设防烈度8度以上时,效果尤为显著。但破风圈的减振效果没有数据支持,只能按规范及标准的要求进行设计,无法量化进行验算校核,特别是带外装饰的钢烟囱实际案例更少。

从安装条件看,阻尼器的设备重量较轻,现场安装工作量较小,但需专业技术人员现场调试。破风圈只需现场按图施工焊接,无需调试,但金属重量较重,现场焊接及吊装工作量很大,对施工作业面要求较高。

成本上,一般破风圈较为便宜。

3.2.4 减振措施的选取

对于减振措施,目前国内普通钢烟囱设计一般选择设置破风圈。国家标准图集《钢烟囱(自立式30 m～60 m)》[4]08SG213-1就是采用设置破风圈来消除横风向风振的作用。查询国家标准图集08SG213-1《钢烟囱》,抗震烈度7度(0.1g),Ⅲ类场地,0.35 kN/m2(50年一遇);地面粗糙度类别B类,出口直径2.5 m,总高度60 m,烟囱选用代码60/2.5-1,在设置破风圈的情况下,钢烟囱直径在底部±0.00 m,直径为4.77 m>4 m。

和标准图中60/2.5-1相比,本工程存在两大不利条件:1)根据工艺要求,两根直径1 m的烟囱设计成套筒式自立式钢烟囱,加上保温及安装间距,最终出口直径取2.6 m,高度63 m,且外包钢龙骨,50 m以下为4 000 mm×4 000 mm正方形,50 m～63 m为4/6 m的喇叭形。高度增加,外形尺寸扩大,所承受的风和地震荷载更大。2)规范的更新,特别是GB 50068—2018建筑结构可靠性设计统一标准[5]执行,钢烟囱在底部±0.00 m的弯矩及剪力会更大。以上两点都导致本工程若设置破风圈其基础顶的钢烟囱直径均会大于4.77 m。根据规范要求,在烟囱高度40 m～63 m范围内,设置3道8 mm厚,宽260 mm螺旋板破风圈,螺旋节距13 500 mm,经计算,最终需要烟囱底部直径取5 m,方可满足强度要求,此尺寸不满足建筑要求。设置破风圈无法满足本工程的设计要求。

因此,本工程烟囱采用安装调频阻尼器来减少横风向风振,并通过软件计算来量化其作用,使得在烟囱保证受力安全前提下,其外围尺寸满足建筑效果图要求。

3.3 阻尼器的设置

本工程最后采用的是中标烟囱厂家的专利[6]:环形液体阻尼器。此阻尼器的工作原理:通过在烟囱上设置环形液体阻尼器,减少烟囱因受到较大侧向力而产生的较大晃动;通过多个隔液组件以及多个水箱实现液体阻尼器的阻尼效果,通过环状的单个设置或多个相互连接设置的阻尼器单元与柱状烟囱契合连接。此阻尼器可以提供运动的阻力,耗减运动能量,在抗震方面起到防震、吸收与消耗地震力的作用;在风荷载引起的顺风和横风向风振,起到减除风振对结构造成的不利影响,优化结构设计的作用。

根据烟囱标准第5.2.3条,横风向共振荷载范围起点高度H1以及终点高度H2由以下两式计算:

其中,α为地面粗糙度系数,对应A,B,C及D类地面粗糙度,可分别取0.12,0.15,0.22及0.3。本工程取值为0.15。

横风向风振引起在Z高度处振型j的等效风荷载标准值按下式计算:

其中,λj为计算系数;vcr为临界风速;φZj为结构在Z高处振型系数;ζj为阻尼比。

根据烟囱标准,当烟囱发生横风向风振时,可将横风向风振荷载效应SC与对应风速下顺风向荷载效应SA按下式组合计算,具体见下式:

其中,βz为风振系数。

通过软件分析,本工程将阻尼器设置在烟囱高度58 m处。为了便于安装,阻尼器单元由两个半环状结构连接成一环状结构,安装时直接将两个半环扣在钢烟囱即可。本工程阻尼器隔液板共有18个,对应的圆心角均为20°,其中隔液板的尺寸:长1 100 mm,高为200 mm。隔液板上的灌液孔共2个,孔径40 mm。吊耳数量8组且每个吊耳高为150 mm。

3.4 阻尼器安装前后受力比较

经过分析试算,最终烟囱采用自立式钢烟囱,受力外筒上附加钢龙骨的装饰架,在保证工艺需求及安装操作作业面的情况下,钢烟囱在0 m处的外径取3 200 mm,烟囱平面布置图如图2所示。具体参数:钢烟囱外壁采用Q355B,烟囱在26.4 m以上,烟囱外径2 600 mm;高度13.2 m～26.4 m间,烟囱外径由3 200 mm渐变为2 600 mm;高度在13.2 m以下,烟囱外径3 200 mm。0 m～13.2 m壁厚22 mm,13.2 m～26.4 m壁厚20 mm,26.4 m～40 m壁厚14 mm,40 m～50 m壁厚12 mm,50 m～63 m壁厚10 mm。2根1 m内筒采用不锈钢SUS304L,壁厚3 mm。内外筒之间设置50 mm硅酸铝棉保温层+100 mm空气隔热层,外筒与排烟内筒之间通过止晃装置滑动连接。全部烟囱外筒外布置方钢管支撑,外围布置镀锌方管骨架。龙骨外安装3 mm厚铝单板。运用同济大学3D3S软件建模,计算简图见图3。通过计算,得到安装阻尼器前后的受力比较,见表1。

表1 烟囱安装阻尼器前后受力比较

从表1可以看出,安装阻尼器后,可以减少烟囱顶部位移,从而减少烟囱结构整体受力,使得钢烟囱底部的外径能满足建筑效果图的要求。此烟囱已投入运行,其立面效果在当地成为网红打卡地,获得甲方好评。

4 结语

对于目前国内项目,由于设置破风圈无需现场调试,相对成本低些,对普通的自立式钢烟囱建议采用破风圈的方案来达到消除或减小横风向风振的效果。当施工场地受限,需尽量减少现场焊接的工作量及吊装费用;或钢烟囱底部外直径被建筑效果的尺寸限制,特别是带外装饰的去工业化钢烟囱,为保证可靠的减振效果,建议采用阻尼器减振的方案。