摘 要:以25 m高钢烟囱为例,介绍了钢烟囱的设计和构造特点以及设计中应注意的几个问题,有很强的代表性。
关键词:钢烟囱 自振周期
1 工程概况
上海某公司二期工程中,热镀锌加热段设有钢烟囱一座,高25 m,上口内径1·3 m,表面温度100℃。因其H/d<20,在这个比例内一般采用自立式烟囱,比较合理,安全和经济,故本项目采用自立式。
2 基本设计资料
1)基本风压w0=0·55 kN/m2,地面粗糙度为B类,地震设防烈度为7度;
2)烟气平均温度:100℃,不设隔热层;
3)烟囱钢材:Q235-B;
4)烟囱安全等级为二级,烟囱重要性系数;γo=1·0;
5) 15 m以下壁厚t=12 mm,15 m以上壁厚t=10mm,满足《烟囱设计规范》(GB 50051-2002)9·3·3条要求。15 m以下2%放坡,底部内径1 900 mm。
3 具体设计步骤
1)自振周期T的计算:根据自立式烟囱的不同形式选择周期公式。本项目因采用上部圆筒下部圆锥形式,故选择《烟囱设计手册》中的推荐公式:
T =H2768×3d×(1+47·5t)同时结合SAP建模计算所得数据,及实际工程经验取T=0·238 s。
2)计算风荷载,地震荷载作用下各主要截面处(底部,变截面处)的弯矩,剪力,并进行内力组合,确定最不利荷载。
3)在最不利弯矩,轴向力作用下,进行强度,整体稳定的验算。同时由于筒壁厚度与烟囱直径和高度比较,钢板很薄,有可能出现局部压曲,所以还要进行局部稳定的验算。
4)进行地脚螺栓的最大承载力验算,确定螺栓尺寸。一般地脚螺栓不得用于传递剪力,此剪力应由底板与基础之间的摩擦力或设置抗剪键承受。摩擦力计算一般取钢板与混凝土之间的摩擦系数为0·4。
5)计算烟囱底部基础局部压应力。
6)确定钢烟囱底版厚度及加劲肋尺寸。
7)计算烟囱顶部位移。
经比较,风荷载与恒载的组合起控制作用。本例中钢烟囱经计算整体稳定,局部稳定均满足要求。地脚螺栓采用12M30,沿底版均匀布置,加劲肋采
用—12×200×360,具体布置图如下。
用PKPM建模计算可得此烟囱顶部位移Δ=12·5 mm,满足规范要求。
4 设计中应注意的问题
1)自立式钢烟囱壁厚的确定应严格按照《烟囱设计规范》(GB 50051-2002)9·3·3进行。当烟囱高度,h≤20 m,t=4·5+c;当烟囱高度h>20 m,t=
6+c。c为腐蚀厚度裕度,有隔热层时取c=2 mm无隔热层时取c=3 mm。
2)计算风荷载效应时,应根据临界风速与烟囱顶部风速大小的比较并计算雷诺数,来确定发生横向风振的可能性,若横向风振发生,还要进行横向风振的验算。理论和实践表明,钢烟囱,特别是焊接钢烟囱的破坏,除了顺风向风力起控制作用外,有时横风向风振起控制作用,所以,应继续判断横向风振是否起控制作用。
3)底板厚度与地脚螺栓直径应通过计算确定地脚螺栓沿烟囱底座等距离设置。地脚螺栓有沿筒壁外侧布置一圈的形式,也有沿筒壁外侧和内侧同
时布置一周的形式。后者优点是地脚螺栓在壁板两侧对称布置,板壁不产生局部弯矩,适用于高大烟囱。
4)底板加劲肋一般为三角形或梯形,要求均匀分布于烟囱底座四周,必要时还可在主加劲肋之间设次加劲肋,最小厚度不应小于8 mm。
5)隔热层与内衬的设置因工程环境条件而定具体规则见《烟囱工程手册》。
6)烟囱顶部位移的计算:根据《高耸结构设计规范》(GB 50135-2006)的规定,在风荷载(标准值)作用下,高耸结构任意点的水平位移不得大于该点离地高度的1/100。根据经验,有些内径小且高度大的烟囱顶部位移起控制作用,一般在计算完风荷载时就应该验算顶部位移,一旦顶部位移不满足限制要求,则需立刻调整方案,否则后续计算只是徒劳。
5 结 语
综上所述,自立式钢烟囱的计算难点主要有二一是自振周期的计算。现行方法多是采用规范手册中的推荐公式与通用计算软件相结合的办法来确定。二是横风向风振的判断。一般说应尽量避免横风向风振的发生,并采取合理的构造措施,如放坡设置破风圈等。
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