某塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)比較

中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢(xún)有限公司 楊 云

1 電廠煙囪結(jié)構(gòu)形式介紹

電廠中的煙囪有多種形式，根據(jù)所采用的材料可分為磚煙囪、鋼筋混凝土煙囪、鋼煙囪。其中，鋼煙囪包括塔架式、自立式和拉索式三種形式。自立式鋼煙囪形式一般用于較低矮的煙囪，比較高大的鋼煙囪可采用塔架式煙囪，鋼煙囪比較細(xì)高時(shí)可采用拉索式煙囪。設(shè)計(jì)前應(yīng)根據(jù)建設(shè)方的設(shè)計(jì)要求、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件、經(jīng)濟(jì)因素等進(jìn)行合理選型。

塔架式鋼煙囪是由筒身內(nèi)筒鋼與外支承鋼塔架組成的一種鋼煙囪。塔架式鋼煙囪的水平力可由塔架承受，鋼內(nèi)筒不承受水平力，從而能夠減小鋼內(nèi)筒的厚度，這樣可以減輕每節(jié)內(nèi)筒的重量，易于施工提升和頂升。但是塔架是鋼結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)件在工廠加工，數(shù)量較多，現(xiàn)場(chǎng)安裝量大。

套筒式鋼煙囪也是比較常用的鋼煙囪形式。外筒采用鋼筋混凝土，鋼內(nèi)筒懸吊或支承在外筒上，鋼筒體是防腐蝕排煙筒。具有構(gòu)造合理、構(gòu)件數(shù)量少、材料消耗低、造型簡(jiǎn)潔美觀等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是鋼筋混凝土外筒自重較大，抗震性能差。

拉索式鋼煙囪是由鋼筒和斜拉索共同組成結(jié)構(gòu)體系的鋼煙囪。當(dāng)煙囪高度與直徑之比大于20時(shí)，可采用拉索式鋼煙囪。

目前，國(guó)內(nèi)電廠采用鋼煙囪時(shí)，比較多數(shù)采用的結(jié)構(gòu)形式是鋼筋混凝土套筒式煙囪，也有多個(gè)已建的垃圾發(fā)電站采用塔架式鋼煙囪，其外形美觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，成為電廠建設(shè)中的一個(gè)亮點(diǎn)。寶鋼燒結(jié)廠鋼煙囪是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、制作與安裝的第一座塔架式雙筒鋼煙囪，煙囪高200m，由兩座內(nèi)徑6m的筒身、外圍一座塔架組成[1]。在韓國(guó)和日本的大參數(shù)、高容量電廠也已經(jīng)采用這種煙囪。在我國(guó)垃圾發(fā)電站的建設(shè)中，一些去工業(yè)化設(shè)計(jì)的煙囪采用封閉的塔架式鋼煙囪，有必要對(duì)塔架式鋼煙囪的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2 塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

按照《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50051-2013）中10.1.2條規(guī)定：鋼塔架及拉索計(jì)算可按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50135-2019的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行[2]。

塔架式鋼煙囪的受力特點(diǎn)是多邊形鋼塔架主要承受外荷載，自立式鋼排煙筒和鋼塔架之間采用滑動(dòng)連接，不承擔(dān)水平風(fēng)荷載和地震荷載。塔架整體上是豎向桁架，材料性能得到充分發(fā)揮。

在設(shè)計(jì)中主要是考慮以下幾種荷載組合：自重、活載、風(fēng)荷載和多遇地震荷載。進(jìn)行塔架式鋼煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行以下幾個(gè)方面：荷載作用和荷載組合計(jì)算、強(qiáng)度驗(yàn)算、穩(wěn)定驗(yàn)算、基礎(chǔ)計(jì)算等。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工程概況

某工程為2×135MW的熱電聯(lián)產(chǎn)自備機(jī)組，兩臺(tái)鍋爐共用一座單內(nèi)筒煙囪。煙囪為脫硫不設(shè)GGH濕煙囪，入口煙氣溫度：正常運(yùn)行（脫硫投入）工作溫度約45℃。鋼內(nèi)筒等內(nèi)直徑5m，頂標(biāo)高180m，內(nèi)筒采用鈦復(fù)合鋼板。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本條件

基本風(fēng)壓W0=0.60KN/m2（50年一遇），地面粗糙度類(lèi)型為B類(lèi)。設(shè)計(jì)使用年限為50年?？拐鹪O(shè)防烈度為7度（0.15g），場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組?？拐鹪O(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)。

3.3 結(jié)構(gòu)選型

本工程鋼內(nèi)筒采用自立式鋼內(nèi)筒，內(nèi)徑5m，鋼板自上而下厚8～20mm。鋼內(nèi)筒支承于混凝土底座，同時(shí)每30m設(shè)一道檢修平臺(tái)，鋼塔架平臺(tái)與鋼排煙筒連接采用滑道式連接，在垂直方向鋼內(nèi)筒可自由變位，水平方向可傳遞水平力。塔架在水平向風(fēng)荷載和地震荷載作用下，類(lèi)似底部受約束的懸臂梁。因此，塔架的設(shè)計(jì)總體按照懸臂式空間桁架設(shè)計(jì)。

本工程鋼內(nèi)筒等內(nèi)直徑5m，頂標(biāo)高180m。塔架采用四邊形，底盤(pán)寬度為整個(gè)塔高的1/4～1/8，即22.5～45m，取底盤(pán)寬度為32.5m。塔架上段坡度沿高度不變化，下段坡度沿高度變化。90m至180m塔架柱坡度i=0，塔架寬10m；0m至90m塔架柱坡度i=0.125，塔架寬10m～32.5m。

3.4 荷載計(jì)算

鋼煙囪及塔架設(shè)計(jì)主要考慮風(fēng)荷載及地震荷載，地震荷載與風(fēng)荷載的組合作用?！稛焽柙O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50051-2013）第5.2.2條規(guī)定：計(jì)算塔架式鋼煙囪風(fēng)荷載時(shí)，可不計(jì)入塔架與排煙筒的相互影響，可分別計(jì)算塔架與排煙筒的基本風(fēng)荷載。故將鋼內(nèi)筒的風(fēng)荷載按節(jié)點(diǎn)荷載作用在塔架節(jié)點(diǎn)上，然后在計(jì)算軟件中建立塔架并考慮塔架風(fēng)荷載。

風(fēng)荷載是高聳建構(gòu)筑物的主要側(cè)向荷載，且時(shí)常超過(guò)地震力而成為決定性荷載。瞬時(shí)風(fēng)速可分為平均風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)對(duì)高聳結(jié)構(gòu)的作用也表現(xiàn)為順風(fēng)向的平均風(fēng)荷載、順風(fēng)向的脈動(dòng)風(fēng)荷載及脈動(dòng)風(fēng)引起的橫風(fēng)向共振[3]。我國(guó)規(guī)范采用平均風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù)βz的形式表達(dá)順風(fēng)向的平均風(fēng)荷載和脈動(dòng)風(fēng)荷載，其綜合考慮了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的平均風(fēng)壓和波動(dòng)風(fēng)壓引起的動(dòng)力效應(yīng)。

《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》4.2.1條規(guī)定：垂直作用于高聳結(jié)構(gòu)表面單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算[4]：

ωk=βzμsμzω0

其中，風(fēng)振系數(shù)βz=1+ξε1ε2。依據(jù)ω0T2=1.944查《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表4.2.9-1可得ξ=2，查表4.2.9-2可得ε1（考慮風(fēng)壓脈動(dòng)和風(fēng)壓高度變化的影響系數(shù)），查表4.2.9-2可得ε2（考慮振型和結(jié)構(gòu)外形的影響系數(shù)）。依據(jù)圓形截面，H/d＞25，取風(fēng)載體形系數(shù)μs=0.6。

計(jì)算得風(fēng)振系數(shù)βz以及風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk取值見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk計(jì)算表

《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.4條規(guī)定：對(duì)于圓形鋼筋混凝土煙囪和自立式鋼結(jié)構(gòu)煙囪，當(dāng)其坡度小于或等于2%時(shí)，應(yīng)根據(jù)雷諾數(shù)的不同情況進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振驗(yàn)算。

本工程雷諾數(shù)Re=69000νd==3.19X106，可不計(jì)算橫風(fēng)向共振荷載，但應(yīng)在構(gòu)造上采取防振措施。

3.5 地震作用分析

一般情況下，地震作用較相應(yīng)的風(fēng)荷載要小，塔頂位移和塔底應(yīng)力均由風(fēng)荷載控制，因此在高烈度區(qū)比如9度區(qū)，塔架式煙囪應(yīng)用前景更大[3]。根據(jù)現(xiàn)行荷載規(guī)范，地震組合中考慮風(fēng)荷載時(shí)，風(fēng)荷載的組合系數(shù)為0.2，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)低烈度區(qū)的塔架可不驗(yàn)算地震作用。

3.6 結(jié)構(gòu)計(jì)算

塔架計(jì)算采用MIDAS軟件電算，在鋼塔架的節(jié)點(diǎn)上按節(jié)點(diǎn)荷載輸入鋼塔架的風(fēng)荷載及鋼內(nèi)筒的風(fēng)荷載。此外，因?yàn)殡娞萃仓睆?、壁厚相?duì)較小，為了簡(jiǎn)化，可忽略電梯筒剛度，并將作用于電梯筒上的風(fēng)荷載分段傳到塔架節(jié)點(diǎn)上。計(jì)算鋼塔架時(shí)，除考慮自重荷載、風(fēng)荷載、地震作用外，還應(yīng)考慮平臺(tái)活荷載7～11KN/m3、施工荷載和檢修荷載。

塔架式鋼煙囪具體的尺寸及其桿件截面按表2進(jìn)行設(shè)計(jì)，桿件應(yīng)力比控制在0.5～0.85。

表2 桿件截面表

3.7 計(jì)算結(jié)果分析

3.7.1 周期及振型方向

分析結(jié)果：主體結(jié)構(gòu)第一階固有頻率T1=1.815S，基本周期適中。T2/T1≈1，結(jié)構(gòu)兩方向剛度較均勻。但周期計(jì)算結(jié)果與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄F經(jīng)驗(yàn)公式T=(0.007～0.013)H相比較小。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果重新計(jì)算風(fēng)荷載。

3.7.2 風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力云圖（軸力N）如圖1所示。

圖1 風(fēng)載內(nèi)力云圖

風(fēng)荷載作用下的位移見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)荷載作用下位移

從表3可以看出，在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大位移和平均位移均小于規(guī)范要求的限值1/100。

3.7.3 地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

地震荷載作用下的位移見(jiàn)表4。

表4 地震作用下位移

從表4可以看出，在地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，結(jié)構(gòu)的最大位移和平均位移均小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）（GB50011-2010）中的彈性層間位移角限制θ＜[θe]=1/250。從風(fēng)荷載和地震荷載作用下塔架的位移可以看出，塔架結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的位移遠(yuǎn)小于風(fēng)荷載作用下的位移，說(shuō)明風(fēng)荷載是高聳結(jié)構(gòu)的決定性荷載。分析結(jié)果表明本工程塔架結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，在多遇地震作用下，位移均小于規(guī)范規(guī)定值，未出現(xiàn)明顯的薄弱層。

4 從工程技術(shù)方面比較塔架式鋼煙囪與鋼筋混凝土煙囪的優(yōu)缺點(diǎn)

煙囪結(jié)構(gòu)選型原則要考慮環(huán)境保護(hù)、安全運(yùn)行、使用壽命、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等。煙囪本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要考慮土建原始資料、工藝條件、材料供應(yīng)、施工技術(shù)等因素。

鋼筋混凝土鋼套筒式煙囪由鋼筋混凝土外筒和鋼排煙內(nèi)筒組成，鋼內(nèi)筒一般為等直徑自立式或懸掛式，與外筒全程脫開(kāi)。其優(yōu)點(diǎn)是：鋼筋混凝土外筒剛度大，整體性好，易于成型；耐腐蝕性、耐火性、耐久性好。其缺點(diǎn)是：構(gòu)件斷面大、自重較重、抗裂性能差，一般現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工周期長(zhǎng)，施工受外界影響較大，混凝土結(jié)構(gòu)一旦被破壞，修復(fù)困難等。

塔架式鋼煙囪的受力特點(diǎn)是多邊形鋼塔架主要承受外荷載，自立式排煙筒與鋼塔架之間采用滑動(dòng)連接，不承擔(dān)水平風(fēng)荷載和地震荷載。其優(yōu)點(diǎn)是：施工周期比混凝土建筑施工周期可縮短一半，節(jié)能指標(biāo)高，鋼結(jié)構(gòu)屬環(huán)保型綠色建筑體系。鋼構(gòu)件可以工廠化生產(chǎn)，更易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、批量化生產(chǎn)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。但是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在防腐、防火、后期維護(hù)等問(wèn)題。

所以，從工程技術(shù)方面來(lái)說(shuō)，采用鋼內(nèi)筒的鋼筋混凝土套筒式煙囪和塔架式鋼煙囪都是可行的，但是各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用鋼內(nèi)筒的鋼筋混凝土套筒式煙囪斷面和自重較大，施工周期長(zhǎng)；塔架式鋼煙囪采用環(huán)保型材料，但要注意做好鋼構(gòu)件的防腐、防火，需定期維護(hù)。

5 從經(jīng)濟(jì)造價(jià)方面比較塔架式鋼煙囪與鋼筋混凝土煙囪的優(yōu)缺點(diǎn)

塔架式鋼煙囪的缺點(diǎn)是：鋼結(jié)構(gòu)耗鋼量高，造價(jià)高。一般電廠采用混凝土外筒煙囪，而不采用塔架式鋼煙囪的主要原因是經(jīng)濟(jì)造價(jià)較高。

本工程煙囪塔架為四邊形塔架，高180m，塔架底盤(pán)為32.5×32.5m，頂部為10×10m，除平臺(tái)走道板外全部采用鋼管結(jié)構(gòu)承重。塔架鋼結(jié)構(gòu)總重量約2100t，塔架綜合工程造價(jià)約1638萬(wàn)元。

而類(lèi)似的鋼筋混凝土套筒式煙囪的外筒筒壁混凝土約5900m3，外加檢修平臺(tái)等的鋼梁總重約230t，外筒綜合工程造價(jià)約1064萬(wàn)元。

從表5可以看出，塔架式鋼煙囪的塔架造價(jià)要比鋼筋混凝土套筒式煙囪的外筒造價(jià)高很多，但是塔架式鋼煙囪自重較小，而鋼筋混凝土套筒式煙囪的外筒混凝土自重較大，所以計(jì)算煙囪基礎(chǔ)和地基處理費(fèi)用時(shí)，塔架式鋼煙囪基礎(chǔ)要比鋼筋混凝土套筒式煙囪基礎(chǔ)的造價(jià)低。

表5 外筒造價(jià)比較（7度0.15g，fak=250kPa）

對(duì)兩種煙囪的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較時(shí)，應(yīng)該綜合考慮該地區(qū)的地震設(shè)防烈度、廠址的工程地質(zhì)條件等外部條件。但總的來(lái)說(shuō)，一般情況下塔架式鋼煙囪的造價(jià)是要比同等條件下鋼筋混凝土套筒式煙囪的造價(jià)高。

6 結(jié)論

塔架式鋼煙囪對(duì)于具有較高環(huán)境和造型要求的機(jī)組來(lái)說(shuō)，是可行的，在高烈度地區(qū)具有一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，但造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)性較差。在國(guó)外的大參數(shù)、高容量電廠也已經(jīng)采用這種煙囪。對(duì)于國(guó)外工程，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展水平較高，人工工資高，工期緊張時(shí)，塔架式鋼煙囪有一定的優(yōu)勢(shì)。

目前從我國(guó)國(guó)情看，鋼筋混凝土套筒式煙囪的應(yīng)用范圍極為廣泛，并且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，仍將為我國(guó)電廠煙囪的主要結(jié)構(gòu)型式。但是隨著我國(guó)可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入，在全面踐行碳達(dá)峰碳中重大戰(zhàn)略的建設(shè)新征程中，塔架式鋼煙囪的應(yīng)用范圍也一定會(huì)越來(lái)越廣泛。