火電廠臨時(shí)窄基塔架鋼煙囪設(shè)計(jì)

李文峰（安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230601）

火電廠臨時(shí)窄基塔架鋼煙囪設(shè)計(jì)

李文峰（安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230601）

隨著環(huán)保越來(lái)越受到重視，國(guó)內(nèi)很多電廠對(duì)煙氣采用了濕法脫硫處理，煙囪尾氣為具有強(qiáng)腐蝕性的濕煙氣，由于早期設(shè)計(jì)中沒(méi)有較多的經(jīng)驗(yàn)參考，造成很多煙囪出現(xiàn)腐蝕損壞甚至倒塌。部分電廠在原煙囪出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞后，綜合考慮，采用就近新建臨時(shí)塔架煙囪的改造方式，這種臨時(shí)煙囪具有塔基根開(kāi)小、施工工期緊等特點(diǎn)。文章通過(guò)有限元整體計(jì)算方法，分析出煙囪的受力特點(diǎn)和構(gòu)造注意事項(xiàng)，為今后相似類型煙囪的設(shè)計(jì)提供參考。

塔架；內(nèi)筒；耦合；濕法脫硫

1 工程概況

合肥某熱電廠原設(shè)計(jì)為鋼筋砼單套筒煙囪，內(nèi)筒為耐酸鋼內(nèi)涂玻璃鱗片防腐，尾氣經(jīng)過(guò)濕法脫硫，煙囪內(nèi)煙氣為典型的濕煙氣，具有極強(qiáng)的腐蝕性。煙囪運(yùn)行約3年后，出現(xiàn)排煙內(nèi)筒內(nèi)涂玻璃鱗片起皮脫落現(xiàn)象，運(yùn)行6年后出現(xiàn)內(nèi)筒耐酸鋼板大面積腐蝕穿孔問(wèn)題，經(jīng)過(guò)評(píng)估，原煙囪已經(jīng)無(wú)法再滿足運(yùn)行需要。綜合考慮，在原煙囪東側(cè)新建一座相同排煙直徑、高度的臨時(shí)運(yùn)行煙囪。由于該熱電廠對(duì)片區(qū)供熱意義重大，建設(shè)方對(duì)工期要求嚴(yán)格，且擴(kuò)建場(chǎng)地也十分有限，綜合考慮，最終選取塔架煙囪方案。

排煙筒高度120.00m，塔架高度116.00m，排煙筒出口直徑4.00m，基本風(fēng)壓0.35kN/m2，地面粗糙度B類，抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別Ⅱ類。

2 塔架煙囪模型及計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)布置

塔架煙囪一般分為三角形和方形結(jié)構(gòu)，合理的根開(kāi)跨度宜為總高度的1/8～1/4，常規(guī)設(shè)計(jì)中，根開(kāi)一般選取總高的 1/6～1/4，但本工程由于受場(chǎng)地限制，最終方案選取塔架為方形結(jié)構(gòu)形式，根開(kāi)取為總高的1/8，即 15.00m。塔架頂部寬度 6.00m，塔架主材采用風(fēng)載體型系數(shù)較小的無(wú)縫鋼管或螺旋焊管，最大尺寸為φ530×12，最小尺寸為φ180×8，材質(zhì)為Q345B或Q235B?？紤]本次新建煙囪為臨時(shí)用，綜合造價(jià)考慮，內(nèi)筒仍采用耐酸鋼內(nèi)襯玻璃鱗片，內(nèi)筒材質(zhì)力學(xué)性能同 Q235B鋼，壁厚自底向上由 14mm遞減為10mm。內(nèi)筒自立支承于±0.000m，上部每隔一定距離在塔架上設(shè)置導(dǎo)向支撐。

綜合考慮結(jié)構(gòu)和使用要求，塔架共分為23層，每層高度自下而上分別由 6m遞減為 3m（布置如圖1）。每隔2～3層設(shè)置一道橫隔（型式如圖2），以保證結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，并作為內(nèi)筒的橫向支撐平臺(tái)和檢修平臺(tái)。四邊形塔架四面結(jié)構(gòu)形式相同，底部?jī)蓪硬捎迷俜质饺俗謸?，便于煙道接入，其余各層均采用普通人字撐，斜撐與塔柱間夾角保持在40°～50°之間。

圖1 塔架布置圖

圖2 橫隔布置圖

2.2 有限元模型

塔架煙囪常規(guī)的分析方式有兩種：一是分離式建模計(jì)算，即將塔架與內(nèi)筒單獨(dú)分析，在塔架分析時(shí)，排煙內(nèi)筒作為設(shè)備，將其所受風(fēng)荷載作用于塔架上，在導(dǎo)向支撐處設(shè)置質(zhì)量源，計(jì)算塔架的受力特征，后將塔架的位移荷載施加于內(nèi)筒上，分析內(nèi)筒受力；二是整體式建模計(jì)算，即將塔架與內(nèi)筒整體分析，在導(dǎo)向支撐處，將塔架與內(nèi)筒的水平位移自由度耦合。

兩種分析方式中，第二種更接近真實(shí)受力情況，第一種忽略了內(nèi)筒對(duì)整體模型的剛度影響，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和地震作用計(jì)算，且內(nèi)筒自身的自振周期由于受邊界條件的影響也會(huì)有所不同，進(jìn)而影響內(nèi)筒對(duì)塔架的風(fēng)荷載和地震作用的添加。有論文對(duì)兩種模型分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示第一種模型更偏于保守，但由于選取的工程具有特定的結(jié)構(gòu)周期和特征周期，其結(jié)論不具備通用性。

本文采用midas gen 有限元軟件對(duì)塔架煙囪采用整體建模分析，塔柱各拼接點(diǎn)考慮為剛性連接，橫梁及支撐端部考慮為鉸接點(diǎn)，內(nèi)筒采用桿單元建模，在導(dǎo)向平臺(tái)處，將內(nèi)筒節(jié)點(diǎn)與塔架節(jié)點(diǎn)耦合水平方向自由度。

圖3 塔架煙囪整體模型

2.3 荷載取值及加載

塔架煙囪主要受恒載、檢修活載、風(fēng)載、地震作用等。其中恒載與檢修活載為常規(guī)荷載，按《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》添加，值得提出的是，由于建模中，一般不考慮塔架節(jié)點(diǎn)板、內(nèi)筒加勁肋等模型細(xì)節(jié)的輸入，為保證結(jié)構(gòu)模型的真實(shí)有效性，采用增加材質(zhì)密度的方式進(jìn)行模擬。

對(duì)風(fēng)載，需要考慮0°與45°兩個(gè)方向施加，風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，需要考慮體形系數(shù)及順風(fēng)向風(fēng)振問(wèn)題，根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，塔架式煙囪可分別計(jì)算塔架與內(nèi)筒的風(fēng)荷載。對(duì)風(fēng)荷載體形系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算選取，鋼管塔架需要根據(jù)各節(jié)的擋風(fēng)系數(shù)分別計(jì)算各節(jié)的體形系數(shù)值，需要注意，在兩個(gè)方向風(fēng)荷載添加時(shí)，應(yīng)分別選取兩個(gè)方向的擋風(fēng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，另外，還需要考慮節(jié)點(diǎn)連接板及爬梯等附加件對(duì)風(fēng)荷載的影響；對(duì)風(fēng)載順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)，需要根據(jù)計(jì)算模型的自振周期進(jìn)行核算，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化的過(guò)程中，風(fēng)荷載均應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

地震作用采用地震分解反應(yīng)譜法計(jì)算，分析中選取前15階陣型，其平動(dòng)陣型參與質(zhì)量比為91%，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，其前兩階單向平動(dòng)模態(tài)和第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)如下圖所示。

圖4.1 第一階平動(dòng)模態(tài)

圖4.2 第二階平動(dòng)模態(tài)

圖4.3 第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)

圖4.4 第三階平動(dòng)模態(tài)

3 塔架煙囪設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)果分析及構(gòu)件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

從位移結(jié)果看，0°風(fēng)載作用引起的塔頂最大位移為 312mm，45°風(fēng)載作用引起的塔頂最大位移為383mm，單向地震作用引起的塔頂最大位移為22mm，從分析結(jié)果看，塔架的抗側(cè)剛度能夠滿足規(guī)范要求不大于塔高1/100的要求。

從內(nèi)力結(jié)果看，塔架主要控制荷載為風(fēng)荷載，對(duì)本工程而言，其引起的塔柱底部軸力約為地震荷載的10倍左右，因此，風(fēng)荷載的輸入至關(guān)重要。對(duì)0°風(fēng)載和45°風(fēng)載進(jìn)行比較，結(jié)果顯示45°風(fēng)載引起的塔柱內(nèi)力約為 0°風(fēng)載的 2倍，對(duì)方形布置塔架，45°風(fēng)載起控制內(nèi)力作用，分析引起此現(xiàn)象的原因，主要是45°風(fēng)向下，風(fēng)荷載作用相對(duì)較大，且由0°風(fēng)向的4根塔柱轉(zhuǎn)變?yōu)?5°風(fēng)向的2根塔柱來(lái)抵抗傾覆彎矩。

從構(gòu)件內(nèi)力來(lái)看，橫桿及斜腹桿內(nèi)力較小，其截面主要為長(zhǎng)細(xì)比控制；對(duì)塔柱桿件，其底部受力較大，為強(qiáng)度控制，頂部?jī)?nèi)力較小，為長(zhǎng)細(xì)比控制。因此，對(duì)塔柱而言，底部強(qiáng)度控制區(qū)域宜采用屈服強(qiáng)度更高的Q345B鋼，而其余構(gòu)件采用Q235B鋼。

3.2 細(xì)節(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)

鑒于工期要求嚴(yán)格，為加快施工方施工進(jìn)度，本工程未考慮采用相貫線連接，而采用節(jié)點(diǎn)板連接設(shè)計(jì)。塔架結(jié)構(gòu)中，塔柱的計(jì)算長(zhǎng)度取為橫桿間長(zhǎng)度，為防止鋼管塔柱構(gòu)件斜平面失穩(wěn)，理論上應(yīng)每層均設(shè)置橫隔，但試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明一般每隔2～3層設(shè)置一道橫隔可以保證結(jié)構(gòu)安全。采用相貫線連接，其節(jié)點(diǎn)處抗彎剛度較好，進(jìn)而能有效阻止塔柱在斜平面發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題，而采用節(jié)點(diǎn)板連接，其剛性較差，增加了鋼管塔柱斜平面失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，為解決這一問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)，同層橫梁間設(shè)置加勁肋，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的剛度，從一定程度上保證了結(jié)構(gòu)的安全裕度。

在設(shè)計(jì)中，還應(yīng)注意塔架桿件防振措施，控制構(gòu)件的臨界風(fēng)速不小于15m/s，以降低微風(fēng)風(fēng)振的發(fā)生概率。

內(nèi)筒在塔架橫隔處與橫隔桿件連接，其連接點(diǎn)需保證二者間的水平向隨動(dòng)和垂直向獨(dú)立，還應(yīng)注意內(nèi)筒在溫度升高時(shí)的膨脹問(wèn)題，另外在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，為減緩內(nèi)筒應(yīng)力集中，連接點(diǎn)處在內(nèi)筒上設(shè)置剛性環(huán)，如圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本工程目前已投運(yùn)半年，使用性能良好，結(jié)構(gòu)安全可靠，證明了采用有限元進(jìn)行火電廠塔架煙囪整體分析的有效性。

對(duì)小型火力發(fā)電廠改造的臨時(shí)煙囪，采用塔架煙囪結(jié)構(gòu)形式，造價(jià)適中，工期較短，對(duì)于場(chǎng)地有局限性的工程，采用窄基塔架也不會(huì)造成明顯的費(fèi)用升高，其方案具有優(yōu)勢(shì)。

塔架煙囪設(shè)計(jì)時(shí)，橫桿和斜桿受力較小，可以進(jìn)行一定程度的優(yōu)化。本工程考慮工期原因，塔架與排煙筒同時(shí)施工，內(nèi)筒按照自立式設(shè)計(jì)，如工期寬松，可以考慮采用內(nèi)筒吊裝在塔架上的懸吊式方式，這種設(shè)計(jì)會(huì)造成塔架工程量的增加，但可以較大的節(jié)省排煙筒工程量，在今后可以進(jìn)行兩種方案的比選研究。

圖5 止晃點(diǎn)平面詳圖

［1］GB50051-2012，煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］牛春良.煙囪設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

［3］王肇民，馬人樂(lè).塔式結(jié)構(gòu)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［4］馬濤，李瀟瀟，陳健，靳小虎.電廠煙囪防腐改造中臨時(shí)煙囪設(shè)計(jì)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2012（S1）.

TU761.2

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1007-7359（2016）02-0185-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.065

李文峰（1987-），男，安徽合肥人，畢業(yè)于武漢大學(xué)，碩士；工程師，主要從事電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。