基于协同机理塔架式钢烟囱设计研究

【摘要】：塔架式钢烟囱是由内部排烟筒和外部塔架共同组成稳定体系的钢烟囱,排烟筒主要承担自身竖向荷载,水平荷载主要由外部塔架承担。《烟囱设计规范》(GB 50051-2013)中第10.2.4条和第10.2.6条规定:塔架与排烟筒之间可采用滑道式连接。在计算时,塔架和排烟筒分别独立计算,不考虑塔架和排烟筒之间刚度的相互影响。随着工业的发展和人们环保意识的增强,塔架式钢烟囱高度越来越高,排烟筒的直径和刚度亦越来越大。应充分利用排烟筒的自身强度和刚度,与外侧塔架协同工作,一起抵抗水平荷载作用。因此有必要对塔架—排烟筒协同工作体系进行深入研究,为工程设计提供参考。本文的主要工作及成果如下:1)总结关于塔架式钢烟囱的材料、选型、荷载和计算原理等设计原则,为后续研究工作提供理论基础。2)结合工程实例,对塔架式钢烟囱分别采用规范设计法和采用协同工作设计法进行有限元结构受力分析。通过动力特性和有限元结果对比分析表明两者在自振周期、振动模态、塔柱内力、水平位移等方面有一定差别。采用协同工作设计的塔架式钢烟囱结构不但结构整体性好,而且在同等目标条件下用钢量省。工程实际中应采用塔架一排烟筒协同工作体系进行塔架式钢烟囱设计。3)分析塔筒连接方式、排烟筒的厚度、塔架底部宽度与高度之比等参数对协同工作体系的塔架式钢烟囱的动力特性影响规律。通过对协同工作的塔架式钢烟囱动力特性影响参数分析,主要得到以下结论:①塔架与排烟筒连接方式和排烟筒的筒壁厚度对结构的自振周期影响不大,其影响值均在6%左右。②随着塔架底部宽度与高度的比值减小,结构的各阶自振周期和各高度处的侧移值相应地呈线性增加。③基于协同机理塔架式钢烟囱设计:塔架与排烟筒的连接采用强连接(层层连接);排烟筒的筒壁厚度满足设计要求即可;风荷载相对大的地区,塔架底部宽度与高度之比应选择大值。4)本文采用线性滤波法模拟风荷载,对协同工作体系的塔架式钢烟囱进行动力风振响应分析。结果表明:①该方法求得的塔架风荷载时程样本可以代替真实的风荷载进行塔架风振分析。②从节点位移峰值及风振系数上看,采用风荷载时程分析方法和采用荷载规范上等效静态放大系数即风振系数静力分析方法,结果相差不大。采用荷载规范的等效静态放大系数法的计算结果精度能够满足工程设计的要求。