多管式烟囱钢筋混凝土外筒承载力仿真分析.pdf

第 4 0卷 第 4期 2 0 1 3年 4月 建筑技术开发 Bu i l d i n g Te c h ni q ue De v e l o pme nt Vo 1 40， No 4 Ap r 2 01 3 多管式烟囱钢筋混凝土外筒承载力仿真分析 李海建 ( 中煤科 工集 团武 汉设计研 究院 ， 武汉4 3 0 0 7 0 ) 摘要 主要 介 绍多 管 式烟 囱钢筋 混 凝土 外 简 和 内筒 的整 体 承 载力 仿 真 分析 。通 过利 用 大 型有 限元 计 算软 件 A B A Q U S ， 以某发 电厂 的实际工程为例 ， 对烟 囱外筒 和内简整体建模 ， 简述 了多管式烟 囱钢筋混凝土外 筒承载 力有 限元分析 的过程 ， 通过分析有限元计算 的结果 ， 可 以得 出控 制烟 囱钢 筋混凝 土外筒 的控制 因素 ， 有 益于 多管式烟 囱钢筋混凝 土外筒 的设计 和优化 。 关键词 钢筋混凝土 ； 烟囱 ； 外筒 ； 承载力 ； 有限元 中图分类号 T U 3 7 5 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 0 7 0 3 1概述 在 工业 建 筑 当中 ， 烟 囱是 极 为常 见 的一种 特 种 建 筑结构 ， 特 别 是 在 电厂 当 中 ， 烟 囱 的应 用 极 为 广 泛 ， 它具有 高度 大 、 投 资 大 的特 点 ， 是 电厂 设 计 和施 工 中的一个 特 殊 的部 分 。近年 来 ， 伴 随着 工 艺 要 求 的提 高及单 机容 量 的 增 大 ， 环保 要 求 的不 断 提 高提 高 ， 烟 囱正 不 断 的 向高 的方 向 和 多 管 、 多 筒 的方 向 发 展 。 目前 ， 对多管式钢内筒烟 囱计算 主要采用分开 计 算 的方法 ， 及将 钢 筋 混凝 土 外 筒 和 钢 内筒 分 开 考 虑 ， 在进 行钢 筋混凝 土 的外筒 计算 时 ， 一般 不考 虑 内 筒抗 弯 刚度 的影 响 ， 而仅 在 抗 震 计 算 时把 内筒 当做 附加质量进行考虑 ， 进行钢内筒的计算时， 一般把外 筒 的位 移 附加 于 内筒 上 ， 以此 来 求 出 内筒 内力 。这 种方 法具 有很 大 的近 似性 ， 本 文利 用 大 型 有 限元 计 算软件 A B A Q U S对 多管式 烟 囱进 行仿 真 模 拟 ， 对钢 筋 混凝 土外 筒和 钢 内筒 进 行 统 一 建模 ， 对其 钢筋 混 凝土外筒承载力进行计算分析。 2工 程概 况 本 论 文 以某 发 电厂 多 管式 烟 囱为 例 ， 利 用 有 限 单元 法 ， 考虑 钢 内筒对外 筒 的影 响 ， 对其 钢筋 混凝 土 外筒 的承 载力 进行仿 真模 拟分 析 。 某 电厂建设 两 台 6 0 0 MW 的超 临界燃煤 发 电机 组 ， 共 同使用 一座高度为 2 4 0 m、 出 口的直径 为 8 5 m 的烟 囱， 这个烟 囱 由钢筋混凝 土外筒 和钢 内筒 共 同组 成 。该烟 囱的基础为 圆形 承 台结 构 ， 直 径 为 3 5 m， 强 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 1 1 5 作者简介 ： 李海建 ( 1 9 7 5 ) ， 男 ， 湖北 大冶市人 ， 毕业于 武汉 水利 电力 大学 ， 本科学历 ， 高级工程师 ， 现从事建筑结构设计工作。 度 等级为 C 3 0 ， 基 础 坐落 在 混凝 土 灌 注桩 上 ， 桩底 嵌 入底 层基岩 当中。 烟 囱的外筒 为 C 3 0钢筋 混凝 土 ， 高度 为 2 3 3 m， 钢筋 混凝 土外 筒顶 部外 径 为 1 1 5 m， 壁厚 3 0 0 m m， 筒底 外径 为 2 5 m， 壁 厚 为 9 0 0 m m。 在 钢 筋 混凝 土 外筒 当 中 ， 有 一个 钢 内筒 ， 高 度 为 2 22 4 0 m， 全 长 2 1 8 m。钢 内筒直 径 在 3 01 6 0 m 高程 处 为 1 0 m， 在 1 6 01 7 0 m处 由 1 0 m 渐变 为 8 5 m， 1 7 0 m 以上 直 径 为 8 5 m， 其 壁 厚 在 1 4 71 5 3 m 处 为 2 0 mm， 1 7 71 8 3 m处为 1 2 mm， 其余均为 1 0 m m， 钢内筒内 侧 出于 防 腐 的考 虑 ， 另 外 设 置 1 2 m m 厚 钛 合 金 。 内径 为 6 m。在 钢 筋 混 凝 土 外 筒 和 钢 内筒 之 间 ， 设 置有 8层 钢 平 台 ， 平 台 标 高 分 别 为 2 5 m、 6 0 m、 9 0 m、 1 2 0 m、 1 5 0 m、 1 8 0 m、 2 1 0 m 和 2 3 0 m， 钢 内筒 在平 台各 层均设 置 有止晃 点 。 钢 内筒 主要 由 1 5 0 m和 1 8 0 m 高程 的支 承点悬 挂 于 烟 囱钢 筋 混凝 土 外 筒 上 。其 中 ， 1 5 0 m 处 的支 承点 约束 钢 内筒 水 平 向位 移 和竖 直 向 位 移 ， 1 8 0 m 处支承点只约束钢内筒水平向位移和竖向向下的位 移 ， 允许钢内筒竖 向向上的位移。 3有 限元模 型 的建立 利 用 有 限单 元 法 进 行 结 构 仿 真 计 算 和 模 拟 分 析 ， 要 将 分析 的结 构物体 分 割成为 有 限个 的单 元体 ， 并在 单元 体 的指定 点 设 置 一 些结 合 点 ， 从 而 使 相邻 单元有 关 的参数 具 有 一定 连 续 性 ， 构 成 一 个 单元 集 合体 ， 以此来代替原有的结构。 在利 用 A B A Q U S进 行仿 真 模拟 计算 的过程 中 ， 利 用实 体单 元来 模 拟 钢筋 混 凝 土 外 筒 ， 利 用壳 单 元 来 模拟 钢 内筒 ， 利用 桁 架 单 元来 模 拟 钢 内筒在 各 层 钢平 台 附近 的止 晃点 。参 照多 管式 烟 囱钢 筋混 凝土 7 第4期 李海建 ： 多管式烟囱钢 筋混凝 土外筒承 栽力仿真分析 第 4 O卷 外 筒和 钢 内筒 的实 际尺 寸 进行 建 模 ， 整 体 计 算模 型 如 图 1 所 示 。 2 3 0 m止 晃点 2 1 0 m止晃点 1 8 0 m支承点 1 5 0 m支承点 1 2 0m止晃点 9 0n l 止晃点 6 0 m止晃点 2 5 m止晃点 整体模型 钢内筒模型 图 1 整体 计算模 型 3 1材料 参数 烟 囱外 筒 材料为 C 3 0混 凝 土 ， 采 用 线 弹性 本 构 模型 。止 晃 点 构 件 采 用 Q 2 3 5 B 钢 。钢 内 筒 采 用 Q 3 4 5 B钢 ， 考 虑 钢 内筒 内侧 钛 合 金 的 作 用 ， 不 对 钛 合金 部分 单独 建模 ， 只将 钛 合 金 部分 的重 量 在 钢 内 筒 Q 3 4 5钢 重 度上 进 行 等效 。 Q 3 4 5钢 的 弹性模 量 、 泊松比、 热传导率及热膨胀系数为材料 固有值 。各 材 料参 数分 别见 表 1 。 表 1材 料 参 数 重度 弹性模 量 泊松比 热传 热膨胀 项 目 5 , ( k N m ) 1 MP a 导率 系数 C 3 0 2 5 3 0 0 0 0 O 1 6 7 1 7 4 1 2 1 0- 5 混 凝 土 Q 2 3 5 7 8 5 2 l 0 o o o 0 3 5 8 2 1 2 l O一 Q 3 4 5 ( 含 8 7 9 2 21 0 0 0 0 O 3 5 8 2 1 2 1 0- 5 1 2 m Y l l 合金) Q 3 4 5 7 8 5 21 0 0 0 0 0 3 5 8 2 1 2 1 0一 ( 不 含合金 ) 3 2边 界条件 本 次计算 分 析直接 对烟 囱钢 筋混凝 土外 筒底 部 施 加 固端 约束 ， 即约 束 烟 囱钢 筋 混 凝 土外 筒底 面 节 点 的所 有 自由度 。 3 3 荷 栽 本次计算分析考虑的荷载主要包括结构 自重、 8 温度荷 载 、 风荷 载 及地 震 荷 载 。分 别 计 算各 种 荷 载 单独作 用及 按承 载力极 限状态荷 载组 合工 况下 烟 囱 钢筋 混凝 土外 筒和 钢 内筒 的 内力及 变形状 况 。 计算结构 自重时， 对各构件赋予材料 自身密度 ， 由程序计 算结 构 自重 的作 用 。温度 荷载计 算 和取值 参 考建 筑物 当地 的气象 条件 和烟 囱运行 时 的温度 进 行取值 ， 考虑温差为 5 0 。风荷 载计算参照 烟 囱 设计规范 ( G B 5 0 0 5 12 0 0 2 ) 及 建筑结构荷载规 范 ( G B 5 0 0 0 92 0 0 9 ) 。在 A B A Q U S模型 中， 风荷 载作 为面 荷载施 加 ， 烟 囱表 面各 点 风 荷 载 的 大小 与 高 度 z 及 与风 向 的夹 角 有 关 ， 且 始终 沿 表 面法 线 作 用 。地 震 荷 载 根 据 构 筑 物 设 计 抗 震 规 范 ( G B 5 0 1 9 1 1 9 9 3 ) 进行 计算 。 根据现行的 烟囱设计规范 和 建筑结 构荷载 规范 对承 载能力 极 限 状态 的要 求 ， 按下 列 1 O种 基 本组合 中的最不 利组合 确定 ， 具体 荷 载组合 如下 ： 1 ) 1 1 恒 载 ( 1 0 )+风 载 ( 1 4 ) +温 度 ( 1 0 ) ； 2 ) 1 1 恒 载 ( 0 9 )+风 载 ( 1 4)+温 度 ( 1 0 ) ； 3 ) 1 1 风载 ( 1 4 ) ； 4 ) 1 1 水平 地震 荷载 ( 1 3 ) ； 5 ) 0 8 重力荷载代表值( 1 0 )+风载( 0 2 8 )+ 水平地震 ( 1 3 ) ； 6 ) 0 8 重力荷载代表值( 0 9 )+风载 ( 0 2 8 )+ 水平地震 ( 1 3 ) ； 7 ) 0 8 重 力 荷 载 代 表 值 ( 1 0)+ 风 载 ( 0 2 8 )+水平 地震 ( 1 3 )+温度 ( 1 0 ) ； 8 )0 8 重 力 荷 载 代 表 值 ( 0 9)十 风 载 ( 0 2 8 )+水平 地震 ( 1 3 )+温度 ( 1 0 ) ； 9 ) 1 1 结构 自重( 1 0 )+风( 0 2 8 )+非正常 温度 ( 1 4 ) ； 1 O ) 1 1 结 构 自重 ( 1 0 )+ 风 ( 1 0 ) +正常 温 度 ( 1 4 ) 。 4钢 筋混凝 土烟 囱外 筒承载 力计 算结 果 对 比荷 载单 独作用 和组 合工 况作 用下 结构 的 内 力反 应 ， 可 以发 现工 况 一 、 工 况 七 、 工 况 九 和 工况 十 是整个结构的控制工况 ， 因此 ， 下面的分析 主要根据 上述 四种工况进行。 在工 况一 、 工况 七 、 工况九 、 和 工况 十作用 下 ， 沿 高程分别对烟囱钢筋混凝土外筒的水平截面进行积 分 ， 得到烟囱外筒 的轴力值 、 弯矩值和剪力值 ， 绘制 如 图 2 、 图 3 、 图 4 ， 可 以看 出钢 筋 混凝 土 外 筒 内力 值 沿高度变化的情况。 ( 下转第1 5页) 第 4 0卷 王东林， 等 ： 基 于 A B A Q U S的 高强材料外 包钢组合连续 粱非线性有 限元分析 第 4期 差基 本控 制在 8 5 以 内 ， 表 明有 限 元 模 型 能 够 较 为准 确地 预测梁 极 限状 态 的弹塑 性行 为 。 2 )实际运用时需要考虑到组合 连续梁 的共 同 工作 性能相 比于有 限元 分 析 结 果 较差 ， 故利 用 此 方 法 得 出 的弯 矩 大 于 试 验 值 ， 计 算 出 的极 限 受 弯承 载力是 不安 全 的。 因此 ， 在 实际工 程设 计时 ， 为 提高结 构设计 的可靠 度 ， 耍对 有 限 元 分 析得 出的 计 算值进行折减， 折减幅度不小于计算值和试验值的 误 差 。 3 ) 有限元 非线性计算 的荷载 一挠度 曲线 的精 度取 决 于高强 钢材 与 高 强 混凝 土循 环 的 本构 模 型 、 单 元模 型 以及 破 坏 准则 。如 能恰 当选 择 和运 用 ， 则 使用 有 限元模 拟分 析 是 经 济 可行 的 ， 并 可 用 于 高 强 材料 外包 钢 一混凝 土组合 框架 的研 究 。 参考文献 1 韩娜 ， 于仁 国 ， 柳泉 钢 一混凝土简支组 合梁 A N S Y S有 限元非线 性分析 J 工程建设 ， 2 0 1 2， 4 4 ( 2 ) ：6 9 2 石启印 ， 范旭红 ， WO L F G A N G F r o n c k e 新型 u形外包钢 一 钢筋混 凝 土 T形 截 面 组 合梁 的试 验 J 工 程 力 学 ， 2 0 0 7 ， 2 4( 1 2) ： 8 89 2 3 方 立新 ， 宋启根 ， 陈绍礼 钢 一混凝 土组合结 构 的非 线性有 限元 分析 J 东南大学学报 ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 2 ) ： 7 6 8 0 4吕西 林 ， 金 国芳 钢 筋 混凝 土结 构 非线 性有 限 元理 论 与应 用 M 上海 ： 同济大学出版社， 1 9 9 7 5 徐有邻 ， 沈文 都 ， 汪 洪 钢筋 混 凝土 粘结 锚 固性 能 的试 验研 究 J 建筑结构学报 ， 1 9 9 4， 1 5 ( 3 ) ： 2 6 3 7 6 李红 ， 姜维山 型钢与混凝土粘结本构关系的性能研究 J 西北 建筑工程学院学报 ， 1 9 9 5 ( 3 ) ： l 62 2 7 陶宁燕 高强混凝土外包钢组合梁抗弯性能研究 D 江苏 大学 硕士论文 。 2 0 1 2 ( 上接 第 8页) 1 8 0O 0 o l 6 0 O l 柏 -1 2 0 O 0 0 一l o oO - 8 0 0 o 0 00 0 枷0 o 0 _ 2 O O 。 0 轴力 k N 图 2烟囱外筒轴力沿高程变化 弯矩， ( 1 m ) 图 3 烟 囱外筒弯矩沿高程变化 0 l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 o 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0 剪力 k N 图 4 烟囱外筒剪力沿高程变化 由图 2可知 ， 工况一 、 工 况七 、 工 况 九 、 和 工况 十 作 用下 烟 囱外 筒 均轴 向受 压 ， 且 自顶 部 向 下轴 向压 力逐 渐增 加 ， 最 大 的轴力 均 出现在 烟 囱外筒 的底 部 。 由于钢 内筒 的重量 主要 由 1 5 0 m支 承 点承 担 ， 因此 ， 曲线 在 1 5 0 1 8 0 m 区 间的斜率 出现 了较 大变化 。 由图 3可 知 ， 对 于 烟 囱钢 筋 混 凝 土 外 筒 ， 工 况 一 、工 况七 、 工 况 九 、 和工 况 十 作 用 下 最 大 的 弯 矩 值 均 出现在 烟 囱外 筒 的底部 ， 1 5 0 m 和 1 8 0 m支 承点 处 没 有 出现 突 变 的情 况 ， 支承 点 对 钢筋 混 凝 土 外 筒 弯 矩值 的影 响不 大 。 由 图 4可知 ， 对 于烟 囱外 筒 ， 工 况一 、 工 况 七 、 工 况 九 、 和工 况 十 作用 下最 大 的剪 力 均 出现 在 烟 囱外 筒 的底 部 ， 1 5 0 m 和 1 8 0 m支 承点处 没有 出现 突变 的 情 况 ， 支承 点对 钢筋混 凝 土外筒 弯矩值 的影 响不 大 。 5 结 论 本 文利 用 大 型 有 限 元 计 算 软 件 A B A Q U S ， 以某 电厂烟囱实际工程为例 ， 对多管式烟 囱钢筋混凝土 外筒和钢 内筒进行整体建模计算 ， 计算和分析了钢 筋混凝土外筒的承载力。本文所使用的方法相对于 以往 设计 过程 中将 钢筋 混凝 土外 筒 和钢 内筒 分 开计 算 和考 虑 的方 法具 有 一 定 的进 步性 ， 对 多管 式 烟 囱 的设 计优 化具 有一 定参 考意义 。 参考 文献 1 中华 人 民共 和 国 国家 标 准 ， 建 筑结 构 荷 载 规 范 ( G B 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ) 北京 ： 2 0 0 1 2 中华人 民共和 国国家标准 ， 烟 囱设计规 范( G B 5 0 0 5 1 2 0 0 2 ) 北 京 ： 2 0 0 2 3 王金 昌， 陈页开 A B A Q U S在 土木工程 中的应用 杭州 ： 浙 江大学 出版社 ， 2 0 0 6 4 A B A Q U S I n c AB A QU S T h e o Ma n u a 1 2 0 0 4 1 5 a 鼐 恒 ， 恒 H H 怄