高聳煙囪在高溫作用下的風振響應分析

吳松濤，范存新

(蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

煙囪是工業(yè)建筑中的一種特種結(jié)構，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，煙囪的高度也在逐步增加。在鋼鐵廠、火力發(fā)電廠等工廠內(nèi)，一般都建有幾十米到幾百米不等的煙囪。其結(jié)構形式一般為單筒式煙囪、套筒煙囪或多管煙囪，且具有結(jié)構的高寬比較大的特點，是一種典型柔性高聳結(jié)構，受風荷載的影響非常顯著。在實際生產(chǎn)過程中，工業(yè)排放的煙氣往往都是高溫氣體，煙氣的溫度對煙囪的筒體本身產(chǎn)生一定的影響，況且煙囪的筒體在使用過程中常年處于高溫作用的狀態(tài)，一方面高溫煙氣會滲透到筒壁內(nèi)部，另一方面隨著煙囪的長時間使用以及隔熱材料的老化，筒壁完全有可能在高溫狀態(tài)下工作。因此我們對高聳煙囪進行風振響應研究時，應該充分考慮在高溫煙氣影響下，煙囪筒壁鋼筋與混凝土的力學性能發(fā)生改變后，會對風振響應的結(jié)果造成一定的影響。近年來，國內(nèi)外學者對煙囪遭受風振破壞和受高溫破壞方面的研究已經(jīng)取得了一定的進展。其中，陳鑫等[1]根據(jù)高聳煙囪的特點，建立其質(zhì)量模型的動力微分方程，通過改進諧波疊加法來模擬風荷載，最后編制程序針對煙囪在順風向和橫風向風振情況下在時域和頻域內(nèi)求解。張玉梅等[2]通過24個不同幾何參數(shù)的煙囪，用有限元模擬其溫度場分布結(jié)果，并與試驗結(jié)果對比分析，確認出一個計算煙囪溫度場的簡單方法。鄭歡[3]探討了考慮溫度影響與不考慮溫度影響的煙囪幾何非線性地震響應分析，得出溫度的影響程度與地震動的頻譜特性有關的結(jié)論。G.K.Verboom等[4]依據(jù)多種規(guī)范對13個高聳鋼煙囪的橫向風振動進行了對比研究。

綜上所述，單獨考慮風振、高溫和地震等因素對煙囪結(jié)構影響的研究頗多，而煙囪的結(jié)構穩(wěn)定是受到多種因素共同作用的結(jié)果，且多項受力的耦合分析相對復雜，難以收斂，因此本文對高聳煙囪在高溫作用下的風振響應分析進行研究，對實際工程具有一定的參考意義。本文以某高聳鋼筋混凝土煙囪為研究對象，首先利用ABAQUS軟件模擬煙囪工作時的溫度場，得出煙囪筒壁的升溫曲線，確定其所受的最高溫度，然后通過MATLAB軟件模擬脈動風速，計算風荷載，再由ABAQUS有限元軟件進行動力時程非線性分析，分別得出常溫下的風振響應結(jié)果和考慮高溫作用后的風振響應結(jié)果，并進行對比研究。

1 計算模型

1.1 工程概況

本文所研究的煙囪的結(jié)構型式為鋼筋混凝土單筒煙囪。煙囪標高180 m，筒壁底部內(nèi)半徑8.38 m，外半徑8.88 m，頂部內(nèi)半徑3.75 m，外半徑3.93 m。煙囪主要由鋼筋網(wǎng)、混凝土層和內(nèi)襯、隔熱層三部分組成，其中內(nèi)外縱筋主材采用HRB335鋼，內(nèi)外箍筋則均為HPB300鋼，筒壁采用C35混凝土，隔熱層為憎水性水玻璃珍珠巖板，內(nèi)襯為耐酸陶土磚。

1.2 煙囪有限元模型

基于ABAQUS軟件，按照實際模型圖紙，采用分離式建模方法，建立了某180 m高的鋼筋混凝土單筒煙囪的三維有限元模型。其中鋼筋均采用桁架單元進行模擬，筒壁混凝土層和內(nèi)襯采用均質(zhì)實體單元模擬；隔熱層則采用均質(zhì)殼單元進行模擬，模型的具體力學參數(shù)如表1所示。模型考慮了鋼筋混凝土材料的非線性，依據(jù)《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》[5]采用彈塑性本構模型。建立的高聳煙囪有限元模型如圖1所示。

表1 模型相關參數(shù)

圖1 煙囪有限元模型

2 溫度場分析

2.1 溫度場模擬方法

為了得到在高溫煙氣作用下煙囪內(nèi)部各點不同時刻的溫度變化情況和煙囪筒壁的升溫曲線，本文利用ABAQUS軟件對煙囪進行熱傳遞分析，得到的溫度場結(jié)果用以后續(xù)計算考慮高溫作用后的風振響應。

在煙囪正常啟動工作時，多種因素都會影響煙囪筒壁的溫度場，例如煙囪自身沿高度有顯著的坡度變化，還可能受到高溫煙氣的流動、腐蝕，以及煙囪外界氣溫改變、日光輻射、風力等的影響。本文認為煙囪筒壁的溫度場分布隨時間不斷地發(fā)生變化，故采用不規(guī)則邊界條件下的柱坐標三維瞬態(tài)導熱的溫度場模型[6]。

為了簡化計算，本文不考慮煙氣溫度會沿煙囪高度降低的情況，均取煙氣的最高溫度，因此鋼筋混凝土煙囪首先受到假定為恒溫的高溫煙氣作用，然后高溫煙氣對內(nèi)襯進行熱對流作用，接著內(nèi)襯對隔熱層進行熱傳導作用，同時隔熱材料把熱量以熱傳導的形式傳遞給鋼筋混凝土層，最后煙囪的外表面把熱量以熱輻射的形式傳遞給外界大氣。其中的熱對流作用使用國際標準升溫曲線ISO-834來模擬(如圖2所示)，熱傳導作用通過在ABAQUS軟件中定義如表2、3所示的材料熱學參數(shù)來模擬[7]，熱輻射則通過有限元軟件自帶功能實現(xiàn)。

圖2 ISO-834標準升溫曲線

表2 混凝土的熱學性能

表3 鋼筋的熱學性能

2.2 溫度場計算結(jié)果

本文使用ABAQUS軟件進行煙囪溫度場有限元分析，煙囪的環(huán)境溫度選取為常溫25 ℃，煙囪的升溫時間為8 h，得到結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 煙囪整體截面溫度云圖(單位：℃)

圖4 煙囪頂部筒壁內(nèi)外表面溫度

從圖3～4可以發(fā)現(xiàn)，煙囪在高溫煙氣作用下，其截面溫度隨之升高，整體呈現(xiàn)出由內(nèi)到外，溫度逐漸降低的情況。內(nèi)襯耐火磚由于直接接觸高溫煙氣作用，因此整體溫度最高，珍珠巖板隔熱層其次。當熱量最終傳遞到鋼筋混凝土筒壁內(nèi)側(cè)時，最高不超過140 ℃，滿足規(guī)范[8]中對鋼筋混凝土煙囪筒壁最高受熱溫度不超過150 ℃的要求。煙囪外表面由于和外界空氣接觸，發(fā)生熱輻射，因此升溫較為緩慢，且最高溫度出現(xiàn)在煙囪頂部，最高升至70 ℃左右?？梢姛焽璧母魺釋悠鸬搅艘欢ǖ母魺嶙饔?。

3 風與溫度耦合作用

3.1 線性濾波法模擬風速

本文通過編寫MATLAB程序來模擬脈動風速時程曲線[9-10]。由于煙囪截面為圓形對稱結(jié)構，因此各風向角對結(jié)構風荷載沒有影響。該煙囪高180 m，每隔10 m取一個風速模擬點，共計18個點。模擬選用Davenport譜，地貌類別B類，平均風速取30 m/s，時間步長取0.125 s，風速計算時長30 s，得到煙囪18個模擬點處的風速。圖5所示為坐標(0,0,180)煙囪頂點處的總風速時程曲線。按公式(1)將風速換算成煙囪各段上的等效節(jié)點荷載[11]，施加在模型上的x方向。

圖5 煙囪頂點總風速時程圖

(1)

式中：Fi(t)為t時第i段的等效節(jié)點荷載；μsi為煙囪第i段的體型系數(shù)；μzi為煙囪第i段的風壓高度變化系數(shù)；Afi為煙囪第i段的投影面積；v為總風速，由平均風與脈動風疊加。

由此可以得到煙囪各段的風荷載值，以煙囪頂點處筒段為例，如圖6所示。

圖6 煙囪頂點風荷載時程圖

3.2 鋼筋與混凝土在高溫下的力學性能

煙囪受到高溫煙氣作用后，鋼筋混凝土筒壁的力學性能會隨溫度升高發(fā)生改變，為了進一步研究在溫度影響下的煙囪抗風性能，本文將繼續(xù)討論在風與溫度共同作用下的煙囪動力響應分析。

混凝土在高溫下的彈性模量折減系數(shù)和抗拉抗壓強度折減系數(shù)選用文獻[12—13]中的公式，如式(2)、(3)所示。

(2)

式中：Ec,T是高溫下混凝土的彈性模量；Ec是常溫下混凝土的彈性模量。

(3)

式中：fc,T是高溫下混凝土棱柱體抗壓強度；fc是常溫下混凝土棱柱體抗壓強度。

鋼筋在高溫下的彈性模量折減系數(shù)則選取澳大利亞規(guī)范AS4100[14]。

(4)

式中：ET是高溫下鋼筋的彈性模量；E是常溫下鋼筋的彈性模量。

3.3 煙囪風振分析結(jié)果

本節(jié)對煙囪模型施加x方向水平風荷載，對煙囪進行持續(xù)30 s風振響應分析，得到圖7～8，分別為第30 s時煙囪整體水平位移曲線和第30 s時煙囪整體等效應力曲線。

圖7 第30 s時煙囪整體水平位移曲線

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在風荷載作用下煙囪結(jié)構自下而上，其水平位移逐漸變大，因此我們需要重視風荷載對煙囪頂部位移的影響。

通過圖8可以看出，180 m煙囪的最大應力值出現(xiàn)在煙囪高度約80 m處，之后最大應力值隨著高度升高逐漸變小。

圖8 第30 s時煙囪整體等效應力曲線

3.4 煙囪受到風振與溫度耦合作用的結(jié)果

本部分在得到不考慮溫度的風振響應分析結(jié)果后，同時引入第二部分中溫度場的計算結(jié)果，選取煙囪筒壁頂點內(nèi)表面溫度達到100 ℃時的整體溫度場數(shù)據(jù)作為預應力場，導入風荷載分析模型中，用來模擬煙囪工作時受高溫煙氣影響而產(chǎn)生的升溫過程。同時對結(jié)構進行網(wǎng)格劃分，應保持熱分析與力學分析的網(wǎng)格精度不變。由于混凝土與鋼筋在高溫下其力學性能勢必會發(fā)生改變，因此有必要再次對模型進行高溫作用下的風振響應分析。由此得到圖9～11所示煙囪在x方向下的頂點水平位移、速度、加速度曲線。

圖9 煙囪頂點水平位移時程圖

圖10 煙囪頂點水平速度時程圖

圖11 煙囪頂點水平加速度時程圖

從圖9～11可以看出，考慮風與溫度耦合作用后，煙囪頂點的位移曲線、速度曲線與加速度曲線會產(chǎn)生明顯的差異。不考慮溫度效應時，煙囪頂點位移極值為0.091 m，速度極值為0.017 5 m/s，加速度極值0.036 8 m/s2，而在混凝土內(nèi)壁達100 ℃時，煙囪頂點位移極值為0.179 9 m，速度極值為0.032 9 m/s，加速度極值0.053 5 m/s2。

同樣根據(jù)上述的計算方法，將混凝土頂點內(nèi)壁達到120、140 ℃時的溫度場數(shù)據(jù)，導入模型進行分析，得到的煙囪頂點水平位移、速度、加速度極值數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 煙囪頂點風振響應極值表

從表4可以看出，在煙囪頂點內(nèi)部進一步升溫至140 ℃后，煙囪頂點的動力響應波動幅度進一步增大，其頂點位移極值為0.194 9 m，速度極值為0.048 3 m/s，加速度極值0.130 0 m/s2。

4 結(jié)語

本文針對某高聳鋼筋混凝土煙囪進行了風振響應研究。首先對煙囪工作時的傳熱過程進行熱傳導分析，計算其溫度場，得到煙囪整體的溫度場數(shù)據(jù)和混凝土層內(nèi)表面的升溫曲線。隨后利用AR濾波法獲得了煙囪的風速時程。最后，通過計算煙囪內(nèi)壁在3種不同高溫工況下的風振響應，與不考慮溫度作用時的風振模擬結(jié)果進行對比分析。得到的分析結(jié)果表明：

1)依據(jù)煙囪風振響應結(jié)果可知，煙囪頂部水平位移最大，最大等效應力出現(xiàn)在結(jié)構中底部。

2)高溫作用下的風振響應與常溫時的相比，煙囪頂點的位移、速度和加速度顯著增加。

3)在高溫下，隨著溫度進一步升高，煙囪頂點的位移、速度和加速度呈現(xiàn)出增大的趨勢。

可以發(fā)現(xiàn)，高溫對煙囪結(jié)構的抗風性能產(chǎn)生了不利影響。因此在設計煙囪等類似結(jié)構時，需要從多角度考慮，確保結(jié)構的安全性，尤其需要重視煙囪的隔熱性能。