多管式煙囪矩形鋼筋混凝土外筒受力性能分析

薛瑜照

（中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司， 北京 100120）

0 引言

不同于火力發(fā)電廠傳統(tǒng)的圓形煙囪，垃圾焚燒發(fā)電廠多采用矩形煙囪，從而可以進行豐富多樣的外立面設計，使得煙囪成為垃圾焚燒發(fā)電廠甚至當?shù)爻鞘械囊粋€標志性建筑。本文就安徽省宣城市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠的煙囪設計為例，進行矩形鋼筋混凝土外筒的受力性能分析。

1 工程概況

本工程采用多管式煙囪，由兩個鋼內筒和矩形鋼筋混凝土外筒組成。鋼筋混凝土外筒平面長7.7m，寬7m，高度為79 米，標高4.5m 處設有一個寬4m 高5 米的安裝洞，兩個煙道進口，以及門洞、窗洞等洞口。鋼內筒下部支承于4.5 米處的混凝土平臺上，另在外筒頂部77.5m 處設有型鋼混凝土組合樓板檢修平臺，中間21m、42m、60m 有3 個鋼平臺，如圖1。

2 模型建立

采用有限元分析軟件Midas gen 對該煙囪鋼筋混凝土外筒進行計算分析，混凝土標號為C30，側壁厚度自下而上遞減，分別為0.4m、0.35m、0.3m、0.25m，采用板單元來模擬混凝土側壁，網(wǎng)格劃分尺寸為0.5m，在洞口處適當減小網(wǎng)格劃分尺寸。

2.1 地震荷載輸入

在Midas gen 中輸入地震反應譜函數(shù)和相應的反應譜荷載工況。根據(jù)《煙囪設計規(guī)范》，抗震設防烈度為6 度和7 度時，可不計算豎向地震作用，但本工程煙囪設有多個水平檢修平臺，并且鋼內筒支承在混凝土平臺上，故水平地震作用和豎向地震作用均應考慮。

2.2 風荷載輸入

在Midas gen 中煙囪風荷載以面荷載的形式施加，根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》，風荷載計算公式為

3 整體計算結果分析

3.1 振型和周期分析

通過計算得出煙囪的前4 階振型型見圖2。

Mode1 Mode2 Mode3 Mode4圖1 煙囪平面布置圖 圖2 煙囪前4 階振型

從圖2 可以看出第1 振型和第2 振型為平動，第3 振型和第4 振型為扭轉，計算到第33 振型時，x 方向和y 方向的質量參與系數(shù)達到90%，滿足規(guī)范要求。

3.1 風荷載作用下位移分析

煙囪在風荷載作用下呈現(xiàn)典型的彎曲變形，位移隨高度增加而線性增大，表明煙囪在50 年一遇風壓作用下處于彈性變形狀態(tài)，并且最大位移＜1/100,滿足規(guī)范要求。

3.2 風荷載作用下軸力分析

總軸力隨高度增加幾乎呈線性下降，而單位長度墻體截面軸力在大約5m 高度時最大，是因為鋼筋混凝土外筒在4.5m 處有一個較大的安裝洞，使得此高度范圍內煙囪橫截面大幅度減小，從而單位長度墻體截面軸力增大。

3.3 風荷載作用下應力分析

煙囪在風荷載作用下筒壁等效應力自下而上逐漸減小，而在安裝洞口周圍等效應力最大，如圖3 所示。這是因為洞口處應力集中導致的。最大等效應力為3532.5KN/m2,即3.532N/mm2，滿足規(guī)范要求。

圖3 筒壁等效應力圖

4 不同工況下結果比較

以x 方向風荷載和x 向地震這兩種工況為例，煙囪頂部在風荷載和地震作用下的位移分別為28.4mm 和16.1mm，可知在風荷載作用下煙囪的變形要比在地震作用下大。而在地震作用下煙囪在安裝洞、門窗洞口周圍以及角部的應力集中更加明顯?？梢缘贸鲈跓焽鑹ι砼浣钣嬎銜r風荷載起控制作用，而煙囪角部和洞口周圍的約束邊緣構件配筋和構造則由地震作用下相應部位的內力控制。

5 附加彎矩的影響

在單工況x 向風荷載作用下的煙囪頂部位移為28.4mm，而在工況“恒荷載+x向風荷載”作用下的位移為38.7mm，要明顯大于只在風荷載作用下煙囪的位移，這是由于煙囪在風荷載作用下發(fā)生水平位移，這樣在煙囪重力作用下就會產(chǎn)生附加彎矩，由于附加彎矩的影響，煙囪筒身的變形就進一步增大。在實際工程中，由于鋼內筒在在煙囪外筒平臺上的偏心布置、基礎傾斜等原因等都會產(chǎn)生附加彎矩，在煙囪結構設計中，附加彎矩不可忽略。

6 結論

通過對多管式煙囪矩形鋼筋混凝土外筒的有限元分析，得出結論：

（1）混凝土煙囪在風荷載作用下處于彈性變形狀態(tài)，頂部位移最大，底部軸力最大，安裝洞周圍等效應力最大。

（2）煙囪在風荷載作用下的變形和內力都要比地震荷載下明顯，筒身墻體配筋受風荷載控制，但洞口周圍及角部應力集中處需根據(jù)地震作用效應進行加強。

（3）附加彎矩對煙囪的變形影響較大，設計中不可忽略。