某鋼筋混凝土異形煙囪有限元分析

李 亮

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

某化工廠根據(jù)生產(chǎn)工藝需要，擬新建一鋼筋混凝土煙囪，業(yè)主為追求更好的立面效果，達到與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的目的，決定采用方形煙囪。該方形煙囪高176 mm，鋼內(nèi)筒直徑4.3 m。

考慮到現(xiàn)行GB 50051—2013煙囪設計規(guī)范中的設計原理和計算公式均是基于常規(guī)圓形煙囪，特別是內(nèi)力計算分析，配筋設計的計算公式均是按圓形截面進行，對于方形煙囪不能直接采用，需要借助其他方法來解決，因此結合已有工程的設計經(jīng)驗，采用有限元分析進行復核分析，為施工圖設計提供指導意見。

2 有限元模型及荷載

有限元分析采用的是有限元軟件MIDAS/Gen V8.0，根據(jù)煙囪外筒受力特點，有限元計算時采用厚板單元。

表1 煙囪主要尺寸

MIDAS/Gen軟件所采用的板單元，根據(jù)平面外剛度不同可以把單元劃分為薄板和厚板，厚板采用Timoshenko Beam理論，可考慮平面張拉、平面壓縮、平面剪切及平板沿厚度方向的彎曲、剪切問題。網(wǎng)格劃分按1.0 m×1.0 m考慮，現(xiàn)階段建模分析考慮4 m×6 m施工孔洞一個。表1列出了煙囪的主要尺寸數(shù)據(jù)。

模型計算時假定基礎為剛性，屬于完全固定端。

基本荷載和荷載組合：按照“煙囪規(guī)范”的要求首先進行基本荷載作用工況的內(nèi)力計算，即考慮自重，風荷載，地震作用，附加彎矩，平臺活荷載、施工吊裝荷載及安裝檢修荷載，溫度作用只考慮日照作用下的溫度作用而不考慮外筒內(nèi)外溫差引起的溫度應力和溫度對材料的影響。由于目前沒有進行風洞試驗，沒有取得結構實際風壓分布，目前風荷載取值時暫按照GB 50009—2012建筑結構荷載規(guī)范執(zhí)行，見表2，表3，地震作用取值見表4。

表2 活荷載取值

表3 風荷載取值

表4 地震作用取值

溫度作用取值如圖1所示，陽面單元溫度取20 ℃，陰面單元溫度一律取0 ℃，溫度作用施加到板單元，以體現(xiàn)日照溫度的影響。

在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)計算時，還要考慮由于風荷載、日照、基礎傾斜等原因筒身重力荷載對任意水平截面產(chǎn)生的附加彎矩?！盁焽枰?guī)范”的附加彎矩計算公式是根據(jù)圓形截面推導出，不適用矩形截面，應該根據(jù)結構力學和材料力學重新推導矩形截面附加彎矩計算公式，采用有限元分析可以準確考慮附加彎矩。

根據(jù)“煙囪規(guī)范”第7.2.7條規(guī)定，筒身代表截面取90.5 m出筒身截面，考慮豎向地震作用，基礎傾斜角取0.003，日照溫差取20 ℃。經(jīng)過軟件迭代計算，可以得到不同狀態(tài)下各層附加彎矩值(見表5)。

表5 煙囪各層標高處附加彎矩

在考慮以上各種荷載作用下，首先對承載力極限狀態(tài)進行以下工況分析：

1)1.0恒載+1.4風+平臺活載+1.0附加彎矩。2)1.2恒載+1.4風+0.98平臺活載+1.0附加彎矩。3)1.35恒載+1.4風+0.98平臺活載+1.0附加彎矩。4)1.0恒載+0.63風+1.3施工活載+1.0附加彎矩。5)1.2恒載+0.63風+1.3施工活載+1.0附加彎矩。6)1.35恒載+0.63風+1.3施工活載+1.0附加彎矩。7)0.9×(1.2重力荷載代表值+0.28風+1.3水平地震+附加彎矩)。

其次，正常使用極限狀態(tài)下進行以下工況分析：1)1.0恒載+1.0溫度作用+1.0風+0.7平臺活載+1.0附加彎矩，用于計算水平截面；2)1.0溫度作用，用于計算垂直截面。

3 有限元結果分析

3.1 承載能力極限狀態(tài)

承載能力極限狀態(tài)計算只包括水平截面強度計算，垂直截面僅承受溫度作用，而在溫度作用下，截面的破壞屬于變形極限狀態(tài)，結果見表6。各荷載工況組合下板單元正應力分析結果見表7。

各工況下煙囪最大壓應力9.5 MPa，最大拉應力2 MPa。

通過表6可以看出在結構設計過程中，風荷載起控制作用，地震作用不起控制作用。筒壁受拉鋼筋計算采用工況一，筒壁受壓鋼筋計算采用工況三。

根據(jù)以上設計控制工況可以進行筒身豎向鋼筋配置。

表6 各基本荷載作用時應力結果

表7 正應力分析結果

3.2 正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)的計算包括驗算水平和垂直截面最大拉壓應力不能超過材料強度；驗算筒身水平截面和垂直截面的裂縫寬度不能超過規(guī)范的容許值(見表8)。

表8 煙囪筒壁正應力分析結果

根據(jù)垂直截面的最大拉壓應力可以確定橫向鋼筋配置，進而可以進行筒身水平截面和垂直截面的裂縫寬度驗算。

4 結論

通過對兩個方案的有限元分析，可以得到以下結論：

1)煙囪整體應力水平均可以滿足設計要求；2)結構的控制工況是風荷載，地震作用的影響并不明顯，豎向配筋設計時控制工況為工況一和工況三；3)孔洞周邊存在應力集中，可通過分析孔周圍應力分布情況，為孔周邊加強措施的設計提供依據(jù)。