摘要:通过对中南院设计的山西漳山电厂长扁圆形烟囱混凝土外筒的内力分析和截面配筋设计介绍和总结,供设计人员在今后同类型工程设计的应用中参考。
关键词:长扁圆形;烟囱;混凝土;外筒;内力分析;截面配筋设计。
1 工程概况
山西漳山发电有限责任公司扩建工程建设2×600MW燃煤空冷机组,根据航空管制和环保的要求,电厂两台炉合用一座高度为170m的钢筋混凝外筒双内筒多管烟囱,烟囱钢内筒直径6·5m。我院提出了长扁圆形钢筋混凝土烟囱外筒的设计方案,其平、立面简图见图1。
2 内力分析
长扁圆形烟囱的新体形主要特点是混凝土外筒突破了常规烟囱的圆形体形,采用了两个半圆加两个6·5m直段的长扁圆型体形,丰富了电厂建筑景观效果;另一方面,与传统的变断面烟囱不同的是长扁圆形烟囱外筒外包络尺寸沿高度保持不变,筒壁厚度从上到下逐渐增大。根据现行的烟囱设计规程和规范可知,长扁圆形双内筒多管烟囱其钢内筒的设计同常规多管烟囱是一致的,混凝土外筒虽然外形变化但基本设计原理与常规的圆形烟囱是一样的,都必须进行承载能力和正常使用两种极限状态计算分析,并以最终满足现行烟囱设计规范的相应规定作为设计的最终目标,因此下面将主要针对混凝土外筒的优化设计进行介绍。分析长扁圆形混凝土外筒的实际特点可知其内力分析中主要存在以下三方面的问题:①风荷载是烟囱的主要荷载之一,可能起控制性作用,而长扁圆形烟囱的风荷载设计参数中体型系数和风振系数的取值没有现成的资料可以参考和使用,根据现行荷载规范的要求应进行风洞试验确定;② 《烟囱设计规范》(下面简称烟囱规范)对于附加弯矩的计算方法均是基于圆形截面的,因此无法直接用于长扁圆形烟囱附加弯矩的计算;③烟囱规范中对于承载能力和正常使用两种极限状态的计算公式均是基于常规的圆形截面,长扁圆形烟囱的计算无法直接采用,必须采取其他有效的方法。
结合烟囱规范给定的内力分析基本定义和概念,针对长扁圆形烟囱混凝土外筒设计中各个分项和子项:如烟囱上部结构承载力极限状态设计、烟囱上部结构正常使用极限状态设计等进行分析,找出其与常规的烟囱相同点和不同点,并提出相应的解决方案:①风荷载计算,为弄清楚风荷载对长扁圆形烟囱的作用效应,具体设计采用的基本风压和风压高度变化系数均按照现行的国家荷载规范进行选用和取值,对于风载体型系数和风振系数则根据在北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室的边界层风洞中进行的1∶130长扁圆形烟囱弹性模型风洞试验确定,以保证烟囱结构设计的安全性和经济性;②根据烟囱规范中附加弯矩计算的基本定义和原理,运用有限元计算分析软件ANSYS的强大计算分析功能,采用有限元分析的方法模拟出烟囱的反复迭代变形,按最终内力与变形的完全协调的方法来进行附加弯矩的计算;③常规圆形烟囱的截面力学特性对于其所有的对称轴都是相同的,而长扁圆形由于体形的改变其截面力学特性则对每一个轴线都是不同的,可以利用有限元计算分析软件ANSYS对其进行整体有限元计算分析和论证它在各种荷载工况组合下的应力分布情况,最终确定控制性工况和应力水平状况来满足设计需要。具体的内力分析计算按三阶段实施:第一步,根据可能的控制性工况计算不同截面变化方案的应力,比较不同截面方案烟囱的整体应力水平,为截面优化设计提供依据。这一阶段主要确定烟囱的整体应力水平,考虑到烟囱底部开设的施工孔后所导致的应力集中是一个局部问题,建模时按不考虑底部开孔的模型进行多种壁厚的计算比较来确定安全而经济的截面尺寸;第二步,根据已确定的截面尺寸建立最终的开孔计算模型,计算和分析模型在各种不同的荷载工况组合下的应力分布情况,并确定控制性工况,此阶段的计算不考虑明显的局部应力集中的影响,重点研究外筒整体受力时控制性工况的各处内力或应力水平,为烟囱筒壁配筋设计提供依据;第三步,针对底部开孔的模型重点进行控制性荷载工况下的孔周边应力分布情况,评价应力集中等现象,为孔周边加强措施的设计提供依据。
实际筒体整体的有限元结构分析和计算中将筒体视为一各向同性的材料,选用考虑横向剪力作用的SHELL 93壳单元来进行受力状况的模拟和分析,并同时考虑大变形的影响(即几何非线性的影响)便可得出整个烟囱在各类荷载工况作用下的不同位置处应力值或内力值。荷载作用工况严格按照烟囱规范的要求,首先进行单独荷载工况的内力计算,即考虑自重,风荷载,地震作用,由于日照、基础倾斜和地震作用变形引起的附加弯矩,平台活荷载、施工吊装荷载及安装检修荷载等基本荷载单工况作用下的内力计算,计算中只考虑日照作用下的温度作用而不考虑外筒内外温差引起
的温度应力和温度对材料强度的影响;然后进行各种组合荷载工况的内力分析。通过单独荷载工况作用下的计算分析可知:①风荷载与自重荷载对烟囱整体压应力的贡献最大,拉应力则主要由风荷载作用控制,平台荷载及施工活载对烟囱的整体贡献较小;②温度产生的水平位移最大,风荷载其次,地震作用的水平位移最小;③温度及风荷载对重力的附加弯矩起控制作用。通过组合荷载工况的内力分析结果可确定三种控制性工况:①1·0恒载+1·4风+0·98平台活载+附加弯矩Ma,属于承载力极限状态工况,用于筒壁受拉钢筋的计算;②1·35恒载+1·4风+0·98平台活载+附加弯矩Ma,属于承载力极限状态工况,用于筒壁受压钢筋的计算;③1·0恒载+1·0混凝土筒壁内外温差20℃+0·7平台活载+1·0风+附加弯矩Ma,属于正常使用极限状态工况,用于筒壁钢筋应力、混凝土应力的复核及裂缝宽度的验算。典型计算有限元分析结果如图2~图4所示。
对于附加弯矩的计算,各荷载组合中均进行由于风荷载、基础倾斜和日照温差而引起的附加弯矩的计算,具体的分析中先计算出各组合工况下节点变形,然后叠加基础倾斜和日照温差等单独荷载工况作用下的节点变形,最后根据附加弯矩的基本定义和烟囱规范的公式7·2·8来进行计算,并将此附加弯距计算值附加到各种设计组合的内力中进行截面承载力校核。考虑到实际问题中混凝土是塑性材料的特点,而且外筒通常极有可能是带裂缝工作,计算中考虑了控制性工况下对混凝土刚度进行折减的的分析和验算,以确保长扁圆形烟囱的整体安全性。通过分析结果可知长扁圆形烟囱直边与圆弧段的交接处除在截面沿高度变化变化处竖向应力有局部突变外,其他部分的应力云图变化均比较均匀,没有出现竖向应力集中的不利现象。
3 截面配筋设计
现行烟囱规范中给定的截面配筋设计公式均是基于圆形截面的,将烟囱看成一个悬臂构件并考虑烟囱底部开孔与不开孔的区别,基于材料力学原理根据圆环形截面的抗弯刚度推导出了相应的截面配筋计算公式,而长扁圆形烟囱体形特点决定了烟囱规范中提供的截面配筋公式不能直接应用,但是采用有限元计算分析的结果和常规力学方法相结合的方法,并与常规圆形烟囱的设计结果进行对照是完全可以进行长扁圆形烟囱截面配筋设计的,具体截面配筋设计仍然按承载能力和正常使用两种极限进行设计。
承载能力极限状态截面配筋设计:通过有限元程序计算得到的整个烟囱在各种荷载工况作用下不同位置处的应力值或内力值,结合壳单元属于平面外有弯矩的板构件特点参照《混凝土结构设计规范》中承载力极限状态的计算规定按下列步骤进行截面配筋设计:
(1)确定承载能力极限状态荷载组合工况下分别由轴向拉力、压力及环向弯矩产生的各分段截面沿高度方向的最大拉应力值、最大压应力值和环向应力值;
(2)计算截面抗压时,根据计算分析确定计算截面的轴向压力设计值N,根据轴心受压的混凝土构件计算公式,考虑钢筋和混凝土的协同变形(即混凝土及钢筋均参与受压)便可计算所需的受压钢筋配筋面积,即:0·9φ(fyAs+fcA)≤γ0·N (1)式中:A为计算截面的单位面积(下同);As为计算截面的全部纵向钢筋截面面积;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;γ0为重要性系数(下同);fy为钢筋的抗拉强度设计值(下同);φ为稳定系数。
(3)计算截面抗拉时,根据计算分析确定计算截面的轴向拉力设计值N,根据轴心受拉混凝土构件的计算公式,不考虑混凝土抗拉作用(即受拉区混凝土不参与工作)可计算出截面的受拉钢筋,即:γ0N≤fyρtA (2)
式中:ρt为整个计算截面的受拉钢筋配筋率。正常使用极限状态截面配筋设计:按承载能力极限状态荷载组合确定了筒壁的配筋后,还需进一步针对正常使用极限状态的荷载工况,按照钢筋和混凝土的抗拉强度标准值验算烟囱筒壁的正常使用极限状态,包括以下内容:
①荷载标准值作用下的水平截面应力计算。根据有限元计算给出的含荷载标准组合的各荷载工况下的“截面等效应力”,参照承载力极限状态的钢筋及混凝土的计算方法,采用钢筋及混凝土力学指标的标准值来复核正常使用极限状态荷载组合下烟囱外筒的钢筋及混凝土应力,并严格满足烟囱规范7·4节规定;②筒壁的水平裂缝及垂直裂缝裂缝宽度计算,筒壁钢筋应力计算时考虑筒壁内侧与外侧钢筋共同作用,且不考虑混凝土受拉按照烟囱规范7·4·10条进行计算控制。
通过分析可知长扁圆形烟囱筒壁受拉钢筋60m以下应按计算结果进行配筋, 60m以上可按最小配筋率进行配筋;筒壁的受压钢筋均可按照构造进行配筋。
4 结论
通过此次长扁圆形烟囱项目的优化设计,得出如下结论:
(1)结合风洞试验成果,按照现行《烟囱设计规范》等规程规范中的基本概念和要求提出的长扁圆形烟囱内力分析设计思路和计算方法是可行的,完全能够满足长扁圆形烟囱结构设计上的安全可靠和经济性。
(2)有限元分析在长扁圆烟囱的应用是成功和可行的,它真实地模拟了长扁圆形烟囱等异形结构的受力和变形特点,其强大的非线性计算功能很好地解决了异形烟囱内力分析中附加弯矩的计算等问题;此外,相对于传统的计算方法,有限元分析能提供更为详细的烟囱筒身不同位置的应力值或内力值。
(3)根据钢筋混凝土结构设计的基本理论,采用有限元计算分析的结果和常规力学相结合的方法进行的异形烟囱截面配筋设计是完全可行和可靠的,其实质与传统的计算方法保持一致。 |
