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超高双筒钢烟囱体系研究

近年来双筒烟囱在国内得到了广泛的应用，其中大部分项目的排烟筒的主要功能是排放烟气，不能单独承受水平风荷载和地震作用，为此需在钢排烟筒外侧增加抵抗水平作用的结构体系，常见的做法是采用混凝土套筒式烟囱，但此类烟囱混凝土套筒容易开裂。国内外科研机构研究发现，纯钢烟囱一定程度上不但可以解决混凝土烟囱容易开裂、老化的问题，并且可以更好地解决排烟的污染问题。

本文就钢烟囱常用的塔架式体系与国内近些年出现的一种新型自立式钢烟囱结构体系进行了分析对比，来判断哪类体系更加适合双筒钢烟囱。

1 工程概况
宝钢烧结厂钢烟囱[1](图1)是我国自行设计、制作与安装的第一座塔架式双筒钢烟囱，建设于1984年。烟囱高度为200 ITl，由两座烟囱，外围一座塔架组成，结构用钢量为2 530 t，双烟筒筒身内径都为6 m，筒体钢板自上而下厚度为8～20 mm。典型的新型自立式烟囱项目在我国有金陵电厂二期烟囱【23及国电博兴电厂烟囱[3]。金陵电厂二期钢烟囱项目(图2a)为国内首座新型双管自立式钢烟囱，结构简体高240 m，筒体直径为7．3 1TI，每段筒体由环梁连接。国电博兴电厂工程(图2b)位于山东省滨洲市博兴县纯化乡，烟囱高度240 m，钢内筒出口直径8．0 m。此类结构由简体与杆件组成空问框架，使排烟筒作为结构构件的一部分，从而降低了工程造价。
2新型自立式烟囱与塔架式钢烟囱对比
2．I对比方案
对两种结构进行分析对比时，需分别计算金陵自立式烟囱和与金陵烟囱高度相等的塔架式烟囱。因此先新建一双筒塔架烟囱模型。其烟囱简体与金陵烟囱项目[23的筒体相同。即简体高度都为240 m，直径都为7．3ITI，两筒圆心间距为13．2m，筒体间都由c型环梁连接，作为局部加强构件。筒体与塔柱通过筒体支杆连接。两结构模型的具体尺寸如表1所示。
在此对两种烟囱体系给予相同的荷载取值条件进行分析计算，并对两结构同类型杆件取相同的极限应力比(0．95)及其允许长细比(150)，通过SAP2000软件的自动优选截面功能，得到两结构的具体设计结果(表I)
2．2结构施加荷载．
此处分析其结构的受力体系，因此只考虑其决定性荷载，即自重荷载、风荷载、地震作用、温度荷． 载，并在结构计算中考虑P一△效应。
2·2·I 风荷载
图2典型的新型自立式烟囱风荷载一般是此类超高型结构的控制荷载。计都由c型环梁连接，作为局部加强构件。筒体与塔算风荷载时，按照规范n“3中以下方法计算：1)分别计算塔架和排烟筒的风荷载；2)风荷载计算时主要考虑Wl(0。风)、W2(90。风)、W3(135。风)三种工况(见表l中的图)。筒体不同工况下体型系数根据文献[1—2]的风洞试验结果和规范综合考虑确定，具体取值见表1。
3)设基本风压为0．5 kN／m2，地面粗糙度为B类。计算烟囱简体风荷载时，除了考虑顺风向荷载外，还需要考虑横风向风振H“j。
2．2．2地震作用
用反应谱法进行地震作用分析。取特征周期Tg=O．40 s，地震影响系数最大值口。。=o．16，结构阻尼比；一0．02。分析时除分别考虑两个方向的水平作用外，根据高耸结构的特点，还需要分析竖向地震作用[4“】。
2．2．3温度作用
钢内筒温度作用主要是考虑烟气静压和烟气温差。分析时分别计算工作机组正常运行与非正常运行两种情况。假设模型都没有加热装置(GGH)，系统正常工作情况下进入烟囱的烟气温度为40℃左右，系统非正常工作时的烟囱极限最高温度为130℃左右。温度具体计算过程参考DL 5000—1994{火力发电厂设计技术规程》[7]。
2．2．4荷载组合
在分析计算过程中，考虑以下荷载组合。烟囱正常运行：
1)1．OS僦-+-1．4S眦+S丁x；
2)1．2S&-t-1。4Swx q-SrK；
3)1．35SGK+0．28SWx-t-SrK；
4)1．OSGK q-1．3S脒-'F 0．28SwK+S丁x；
5)1．2S侧+1．35脒+0．28SwK+SrK
烟囱非正常运行：
6)1．OSGK+1．4S讯，+0．28SwK；
7)1．2S涨-+-1．4STx，+0．28SwK；
8)1．35S毹+SⅨ，+0．28Sw,r
荷载组合中，S傩为恒荷载标准值效应；SWK为风作用标准值效应；S似为正常运行时温度荷载标准值效应；S丁x，为非正常运行时温度荷载标准值效应；S脒为地震作用标准值效应。3模型计算结果分析
3．1模态分析对比
根据模态分析(图3)可知：塔架式烟囱结构自振周期为横向T1=2．10 s，纵向Tz=2．00 S，基本周期适中，说明结构横向刚度比较合理。n／T，=0．952，结构纵横两向周期比较接近，说明结构两方向刚度均匀。新型自立式烟囱结构自振周期横向为
3．2模型位移对比
在风荷载标准值作用下，结构的最大位移都满足GB 50051—20026烟囱设计规范》[61中对水平位移的限值△“。√H<1／100。自立式烟囱在Wl下的位移与塔架式烟囱差别不大；而在W2、W3下的位移远大于塔架式烟囱，说明自立式在y方向刚度远小于塔架式。根据每段相对位移(表2)及其多阶振型表现可知：两结构在立面都有刚度突变点。

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