底框架式钢烟囱计算分析

底框架式钢烟囱计算分析

【摘要】利用sap2000软件对底框架式钢烟囱进行整体受力分析，对比底框架式钢烟囱整体计算与分离单独简化计算结果的差异，分析底框架式钢烟囱简化计算的弊端.总结此类结构的有效计算方法。

【关键词】底框架式钢烟囱；风荷载；基本自振周期

1.引言

在工业建筑中，高耸结构是一种常见的结构类型，例如烟囱，水塔，石油化工塔，输电高塔等各类塔体结构，他们有其独特的计算方法，同时必须满足与其相应的各种规范。

烟囱是高耸结构中最具代表性的一种构筑物，按材料不同可分为钢筋混凝土烟囱，砖烟囱和钢烟囱；按结构形式不同，钢烟囱又可分为塔架式、自立式和拉索式三种。自立式钢烟囱是最常用的一种，其受力明确，计算和构造均较简单，但由于工艺布置要求，烟囱常常无法落地或需要架高，这就需要在底部做一个框架底座，这就形成了底框架式钢烟囱。

2.基本概况

本例为某1080m3高炉工程，在其冲渣系统中，渣沟上方需设置排气烟囱，底部设计为混凝土框架跨过渣沟，上部为钢筒体。烟囱顶部高度为40m，直径3m，底部用16个螺栓与框架相连。基本风压为0.6kn/m2，抗震设防烈度6度，如图1。

3.计算方法

烟囱的荷载和作用有三类，永久荷载与作用（如结构自重），可变荷载与作用（如风荷载，温度作用，常遇地震作用及烟气压力等），偶然荷载（如罕遇地震作用，爆炸等）。本例中风荷载起控制作用，分析中仅考虑了风荷载对结构的影响。

3.1简化计算

框架式钢烟囱简化计算时常常把钢烟囱和框架分开来计算，钢烟囱按自立式钢烟囱计算，然后将底部反力施加到框架上再行计算框架。

图1. 水渣烟囱

3.1.1风荷载计算

采用sap2000软件建立上部钢烟囱模型，得出t1=0.301

据《建筑结构荷载规范》7.4节：

w0t12=0.054，查表得ξ=1.746；

βz=1+ξvφz/μz=1+1.746×0.85×1/1.56=1.951

wk=βzμsμz w0d=1.951×0.6×1.56×0.6×3=3.287kn/m

3.1.2传于框架上的荷载

由程序计算可得

水平荷载v=60.5kn

底部弯矩m=1025.4kn·m

地脚螺栓最大拉力pmax=240kn

3.1.3框架内力

采用sap2000软件建立底部框架模型，将上部荷载传于模型上，

即可得到底部框架的内力、位移等供于设计的数据，如图2。

图2底部框架弯矩与位移图

（mmax=47 kn·m， dmax=5.2㎜）

3.2整体计算

采用sap2000软件对整体进行有限元建模，筒体采用壳单元模拟，框架采用杆系单元模拟，建模中构件截面尺寸与真实结构一致，模型如图3所示。

3.2.1风荷载计算

图2 水渣烟囱整体模型

自振周期由程序计算得t1=0.636

w0t12=0.243，查表得ξ=2.083；

βz=1+ξvφz/μz=1+2.083×0.85×1/1.56=2.135

wk=βzμsμz w0d=2.135×0.6×1.56×0.6×3=3.60 kn/m

3.2.2传于框架上的荷载

由程序计算可得

水平荷载v=66.2kn

底部弯矩m=1122.0kn·m

地脚螺栓最大拉力pmax=230kn

3.2.3框架内力

内力由程序计算，如图所示

图4整体结构弯矩与位移图

（mmax=52 kn·m， dmax=5.6㎜）

4.对比分析

对比以上两种计算方法的结果，我们发现，似乎框架内力和位移的差别并不是很大，主要的差别在结构的自振周期上，整体模型的自振周期是单独模型的两倍多；而在风荷载的计算中，自振周期的大小影响了风振系数的计算，从而改变了风荷载的取值；整体结构的风荷载是单独结构的1.1倍，最终导致框架的内力和位移也产生了1.1倍的差别。

对结构而言，上部钢烟囱是一个较高的柔性结构，底部框架是一个可刚可柔的结构，两者组合而成的是一个整体，人为分割开来考虑是欠妥当的。自振周期是结构的固有特性，分离单独简化计算改变了结构的固有特性，自振周期必然会有较大的差别。

表1中列举了底部框架相同，上部烟囱高度不同的几个结构的自振周期，随着烟囱高度的降低，结构越来越刚强，自振周期越来越小，整体结构与上部钢烟囱自振周期的差距越来越大，随之风荷载的差距也越来越大，见表2。由于30m高烟囱的自振周期t1≤0.25s，按照荷载规范的要求可不计算风振系数，这与整体结构考虑风振系数相差较大，风荷载相差多达一倍有余。

表1 底部框架相同的结构自振周期对比

表2 底部框架相同的结构风荷载对比

表3中列举了上部钢烟囱高度相同，而底部框架刚度不同的几个结构的自振周期，随着底部框架刚度的减弱，结构越来越柔，自振周期越来越大，整体结构与上部钢烟囱自振周期的差距越来越大，

随之风荷载的差距也越来越大，见表4。

表3 烟囱高度相同的结构自振周期对比

表4 烟囱高度相同的结构风荷载对比

5.结论

框架式钢烟囱是一个整体，分离单独简化计算时，其结构固有特性发生了改变，自振周期与整体计算的结果相差较大，这将引起后续一系列的问题，荷载、内力、构造都将有很大的不同，可见用其数据进行设计是偏于不安全的。

现在各种结构设计软件众多，整体计算并不是什么难事，对此类结构必须进行整体建模计算以求得到更为真实可靠的结果，用以指导我们的设计。

参考文献

[1]中国工程建设标准化协会，编.建筑结构荷载规范.中国建筑工业出版社，中国建筑工业出版社，2005-02

[2]烟囱设计规范.中国计划出版社，2008-05-01

[3]烟囱工程手册.中国计划出版社，2004-07-01

[4]sap2000中文版使用指南.人民交通出版社，2011年12月29日