摘 要:通过铝电解厂烟气净化回收工程的实例,简述了钢烟囱的一般设计方法,并且就横向风振与烟囱结构方案的选择进行探讨。
关键词:钢烟囱;频率;雷诺re数;共振
1 烟囱的形式
铝电解厂烟气净化回收工程中的烟囱基本上有两种形式,即钢筋混凝土烟囱(高度h≥60.0 m)和钢结构烟囱(高度h+30.0~50.0 m之间)。本文主要就独立式钢结构烟囱的设计作一概述。
2 钢结构烟囱的设计
在现有钢结构设计手册中未谈及钢烟囱等构筑物的设计。烟囱作为铝电解厂净化回收工程中的特构,一般是根据设计经验及有关资料进行设计的。1990年国家出版了《高耸结构设计规范》(gbj135-90)为钢烟囱设计提供了技术依据。下面以工程实例来说明独立式钢烟囱的设计。某铝电解厂烟气净化回收工程的钢烟囱。根据工艺要求烟囱高度为30.0 m,内径φ2.0 m不变径,无内衬。(如图1虚线所示)烟气温度80℃以下。基本风压0.6 kn/m2,抗震设防烈度为7度远震,场地土ⅱ类,地貌b类。
本烟囱高度不大而直径较大(高径比为15)呈粗状型,因而周期受力,承载等也均有其自身的特点。
2.1 方案选择
(1)判断结构是否存在共振区域假定烟囱筒壁厚t=10 mm,烟囱自振周期t =3.63h3ei(∑ni=1miα2i+0.236pah)=0.431s按<高耸结构设计规范>计算判断,(按垂直筒壁计算):
临界风速:vcrr=5dt=5×2.020.431=23.43 m/s烟囱顶部风速:
v(h)=40μz(h)μrwo
v(h)=40 1.42×1.1×0.6=38.7 m/s
v(h)> vcr说明共振可能发生,且发生频率较高,需验算横向共振。
(2)计算雷诺数re,判断共振性质
re= 69 000vcrd =69 000×23.7×2.02=3.2×106
3.0×105<re<3.5×106属超临界范围共振,须采取构造措施处理。根据经验,当烟囱竖向斜率
≥2%时,可避免横向共振影响。经与工艺商定,烟囱改为竖向斜率为2%(如图1实线所示)。
2.2 荷载计算
重新计算烟囱自振周期t=0.375(按斜筒壁计算)。
(1)风载(按10.0 m分段,简化为矩形分布):w=β2•μs•μz•μr•wo式中μs为体形系数取0.7;μz为z高度处风压高度变化系数;μr为高耸结构风压调整系数取1.1;β2为z高度处的风振系数。根据wot2=0.6×0.372=0.082得ζ=1.83。β2=1+ζ•ε1•ε2;βz•μz系数。
各段风荷载:
标准值:w1k=0.62 kn/m2
w2k=1.0 kn/m2
w3k=1.3 kn/m2
设计值:w1=1.4×0.62=0.868 kn/m2
w2=1.4×1.0=1.40 kn/m2
w3=1.4×1.3=1.82 kn/m2
(2)地震荷载
7度远震,ⅱ类场地土可仅考虑水平地震作用。根据设计经验第一振型起决定性作用,采用底部剪力法计算。
(2)
式中fek为结构总水平地震作用标准值;
α1———相应于结构基本自振周期的水平地震影
响系数;
geq———结构等效总重力荷载;
fi———质点i的水平地震作用标准值;
gi———集中于质点i的重力荷载代表值;
hi———质点i的计算高度。
标准值:
g1k=82.5 kn g2k=71.6kn g3k=60.8 kn
设计值:g1=1.2×82.5=99.0 kn
g2=1.2×71.6=85.9 kn
g3=1.2×60.8=72.96 kn
α1= (tgt1)0.9αmax
根据7度远震按规范取值:
tg=0.4s t1=0.37s αmax=0.08
代入(1)式fek=18.5 kn
f1=3.74 kn f2=6.5 kn f3=8.3 kn
2.3 内力计算(1-1,2-2剖面计算略)
(1)风荷载作用下3-3剖面处的内力:m3=1 705 kn—m v3=104.0 knn3=257.9 kn
(2)地震荷载作用下3-3剖面处的内力:me3=416 kn-m ve3=18.54 kn可知地震荷载内力不控制。
2.4 截面验算(1-1,2-2剖面验算略)
3-3剖面处:ix3=0.132 m4ax3=0.1 m2wx3=0.081 5 m3 sx3=0.1 m3
2.5 强度验算
f=nan±mxyxwnx
圆形截面γx=1.15
f=257.9×1030.1×106±1 705×1060.081 5×109×1.15=2.6±18.2=+20.8-15.6n/mm2<215n/mm2
τ=vsitw tw=10mm
τ=104×103×0.1×1090.132×1012×10=8n/mm2<125
n/mm2
2.6 稳定验算
f=ncpxa+βmaxmxγxwx(1-0.8nnex)
ix=0.071 5 m4 ax=0.082 6 m2
γx=0.071 50.082 6=0.93 m
lox=2×30=60.0 m
λx=600.93=64.5<150 φ=0.78
nex=π2ea/λ2x=π2×206×103×0.1×106/64.
52=4.88×107n
悬臂构件βmax=1
f=257.9×1030.1×106×0.78+1 705×1061.15×0.081 5×109=
3.3±18.2=21.5n/mm2<215n/mm2
2.7 局部稳定验算
按〈构筑物抗震规范〉[δcr]=0.12 eh/a验算局部稳定。
[δcr] =0.12eh/a =0.12×206×103×
10/1000=247.2n/mm2
δ=na±mw257.9×1030.1×106+1 705×1060.081 5×109
δ=2.58±20.92=+23.5-18.34n/mm2<[δcr]
2.8 锚栓计算
设计中一般认为锚栓仅承受拉力,水平力由底板与基础间的摩擦力传递。地脚锚栓所受荷载为:将底座处的烟囱筒壁周长按螺栓布置均分,每个锚栓分别承担相应周长分段的拉力。设锚栓以15°均分共24个。每个锚栓所受拉力:n=3.24π×10324×10×15.6=66 kn选用24m36锚栓。
2.9 烟囱底座计算及柱脚计算
烟囱底座的高度,80.0 m以下的烟囱可取600mm左右。烟囱的底脚锚栓构造见图3。一般按图a布置,当烟囱较高时(50 m以上)可采用图b布置。
3 小结与探讨
(1)本例钢烟囱因工艺确定的高度不大而直径较大,因而截面承载能力高而工作应力很低。
(2)关于横向风振的讨论:
独立式钢烟囱的设计,应特别注意垂直于风向的横向风振影响。实际工程中因横向风振影响造成烟囱振幅变位过大,甚至强度不足而破坏也并不少见。结构发生共振的条件为:结构顶部风速v(h)>临界风速vcr。当re<3.0×105时,可能发生微风共振(亚临界范围的共振)。当3.0×105≤re<3.5×106时,则可能发生超临界范围的共振。上述两种情况均为在风力较小时,共振便会产生,这是设计中要避免的,须采取构造措施。烟囱的出口直径一般是工艺计算确定的,不得改变。因此改变烟囱的竖向斜率是采取的主要措施。
(3)在钢结构烟囱的施工方面应考虑筒壁须采取剖口的等强度拼接,拼缝须避免十字交叉焊缝,水平缝与垂直缝交叉点要相互错开。设计上为做到经济合理,其烟囱筒壁厚度可根据其高度分2段或3段变化。考虑大气侵蚀,烟囱筒壁厚度要比计算值增加2 mm采用,钢烟囱的材质一般采用235b钢。防腐方面须根据大气环境和烟气温度采用相应的防腐涂料。
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