自立式钢烟囱的设计

判 别 方 法 如 下 ： 当 烟 囱 顶 部 的 风 压 设 计 值 ｗｈ 满 足 式 （ ８） 式 ， 烟 囱 承 载 能力极限状态仍由顺风向设计风压控制， 否则， 横向风振起控制作用。
! $Ｈ≥$ｃｒｉ
０．０４
２
２
＋’Ｈ
&１
２
$ｃｒｉ＝
Ｖｃｒｉ １６００
（ ８） （ ８－ １）
本工程经计算， Ｔ１＝０．８８１ｓ， Ｔ２＝０．１４１ｓ， Ｔ３＝０．０５ｓ， ＶＨ＝４２．３６ｍ／ｓ， Ｖｃｒ１＝１１．３５ｍ／ｓ＜ＶＨ， 第 １ 振型发生横向强风共振； Ｖｃｒ２＝７０．９２ｍ／ｓ＞ＶＨ， 第 ２ 振型不发生横向强风共振； Ｖｃｒ３＝２００ｍ／ｓ＞ＶＨ， 第 ３ 振型不发生横向强风共振； ωＨ＝１．１２， ωｃｒ１＝０．０８
等的总热阻按下式计算：
Ｒｔｏｔ＝Ｒｉｎ＋Ｒ１＋Ｒ２＋… …＋Ｒｎ＋Ｒｅｘ
（２）
Ｒｉｎ＝
１ !ｉｎ
（２－ １）
Ｒ１＝
ｔ１ "１
Ｒ２＝
ｔ２ "２
Ｒｎ＝
ｔｎ "ｎ
Ｒｅｘ＝
１ !ｅｘ
式中 Ｒｉｎ— ——内衬内表面的热阻（ ｍ２﹒Ｋ／Ｗ） ；
λ１— ——内衬的导热系数［Ｗ／ （ｍ﹒Ｋ）］；
λ２— ——隔热层的导热系数［Ｗ／ （ｍ﹒Ｋ）］；
应 ＳＡ 按矢量进行迭加， 即：
!２ ２
Ｓ＝ Ｓｃ ＋ＳＡ
（ １１）
本工程各截面处横向风振时其风总效应计算如下表：
截面号
０
１
２
３
Ｍｉ（ｋＮ·ｍ）
０
３４８．３
１２１４
２４４２
通过以计算进行对比可以看出， 本工程横向风振起控制作用。在
进行荷载组合时应以横向风振引起的风的总效应进行组合。
２．４．地震作用计算 当烟囱高度不 超 过 １００ｍ 时 ， 可 按 《烟 囱 设 计
Ｎｋｉ（ｋＮ）
０
风荷载与烟气温度作用是重要荷载。
６０．７
１２１．４
１８９．４
２．１ 筒壁受热温度计算： 在钢烟囱设计中对于温度作用的考虑通 常是采取折减钢材强度和弹性模量的方法， 由于钢材在高温作用下其 强度和弹性模量都会有不同程度的降低， 为了充分发挥材料的特性，
２．３．风 荷 载 及 其 弯 矩 计 算 自 立 式 钢 烟 囱 属 于 高 耸 结 构 ， 由 于 自 重轻， 结构阻尼较小， 除了顺风向风荷载起控制作用外， 有时横风向风 振 也 起 控 制 作 用 。因 此 钢 烟 囱 风 荷 载 的 计 算 不 仅 要 考 虑 顺 风 向 风 荷 载
科技信息
○建筑与工程○
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
２００８ 年 第 １１ 期
自立式钢烟囱的设计
李棒 （ 洛阳有色金属加工设计研究院 河南 洛阳 ４７１０００）
【摘 要】近几年随着国家对环保非常重视， 在工业厂房设计中对排烟脱硫的要求也越来越来严格， 出现了大量要求排放高度超出屋面一 定高度的烟囱， 为了节约用地， 加快施工进度， 出现了大量的自立式内设浇筑料的轻型钢烟囱。下面根据工程实践经验， 阐述自立式钢烟囱的设 计方法。
! ω＝ωｃｒｉ
０．０４
２
２
＋’Ｈ
＝１．６４＞ωＨ
&１
未满足式（ ８） ， 所以第 １ 振型横向风振起控制作用。
跨临界强风共振引起在 Ｚ 高度处的等效风荷载按下式计算：
２
ωｃｚｊ＝
｜$ｊ｜&ｃｒ (ｚｊ １２８００&ｊ
（ ９）
式中 φｚｊ— ——振型系数， 查《建筑结构荷载规范》附录 Ｆ
λｊ— ——计算系数， 查《建筑结构荷载规范》表 ７．６．２
１３４
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○建筑与工程○
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２００８ 年 第 １１ 期
属跨临界范围， 需要进行横向风荷载效应计算。
等截面自立式钢烟囱结构自振周期按下式计算：
! Ｔｉ＝
２!Ｈ２ Ｃｉ
Ｗ ＥｔＩｇ
（ ５）
式中 Ｔｉ— ——第 ｉ 振型的周期（ｓ）
Ｈ— — — 烟 囱 总 高 度（ｍ）
规范》第 ５．５．５ 条 简 化 方 法 进 行 抗 震 计 算 ， 对 于 轻 型 钢 烟 囱 ， 地 震 作 用
通常不起控制作用。经计算本工程地震作用不起控制作用， 计算从略。
３．承载能力极限状态设计
钢烟囱筒身在作用效应（ 弯矩和轴力） 下应进行强度和稳定验算，
验算公式如下：
Ｎｉ Ａｎｉ
±Ｍｉ Ｗｎｉ
Ｅｔ— ——在温度作用下， 筒壁钢材弹性模量（ｋＮ／ｍ２）
Ｉ— — — 筒 身 截 面 惯 性 矩（ｍ４）
ｇ— — — 重 力 加 速 度（ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）
Ｗ— — — 筒 身 单 位 长 度 重 量（ｋＮ／ｍ）
Ｃｉ— ——与振型有关的常数： Ｃ１＝３．５１５， Ｃ２＝２２．０３４， Ｃ３＝６１．７０１ 相应于第 ｉ 振型时的临界风速
烟囱筒壁各点的受热温度可按下式计算：
wk.baidu.com
ｊ
! Ｔｃｉ＝Ｔｇ－
Ｔｇ－ Ｔａ Ｒｔｏｔ
Ｒｉ
ｉ＝０
（ １）
式中 Ｔｃｊ— ——计算点受热温度（ ℃） ；
Ｔｇ— ——烟气温度（ ℃） ；
Ｔａ— ——空气温度（ ℃） ；
Ｒｔｏｔ— — — 内 衬 、隔 热 层 筒 壁 等 总 热
阻（ ｍ２﹒Ｋ／Ｗ） ；
Ｒｉ— ——第 ｉ 层热阻（ ｍ２﹒Ｋ／Ｗ） 。 按 平 壁 法 计 算 时 ， 内 衬 、隔 热 层 和 筒 壁
设 计 中 通 常 在 筒 壁 内 设 置 保 温 隔 热 材 料 以 降 低 传 达 到 筒 壁 的 温 度 。烟
囱筒壁温度的计算方法有平壁法和环壁法两种， 当烟囱筒壁外半径 ｒ２ 与 内 半 径 ｒ１ 的 比 值 小 于 １．１ 时 ， 可 采 用 平 壁 法 ； 否 则 应 采 用 环 壁 法 以 提高计算精度。传热计算简图如下：
Ｖｃｒｉ＝
５Ｄｍ Ｔｉ
（ ６）
式中 Ｖｃｒｉ— ——第 ｉ 振型时的临界风速
Ｄｍ— ——２／３Ｈ 高度处的外直径（ｍ）
烟囱顶部风速 ＶＨ
! ＶＨ＝
２０００"ｗ #Ｈ$０ %
（ ７）
式中 γｗ— ——风荷载分项系数取 １．４
ρ— — — 空 气 质 量 密 度
当 ＶＨ＞Ｖｃｒｉ 时， 说明第 ｉ 振型发生横向强风共振； 《烟囱设计规范》 根据烟囱和横向风振的特点， 对第 ｉ 振型是否起控制作用给出简单的
【关键词】自立式； 钢烟囱； 浇筑料； 风振效应； 雷诺数； 共振
１．工程概况
青岛某工程合金锭车间为轻型钢结构厂房， 其车间内设有双室炉、 熔炼炉、保温炉和铸造机等设备， 根据通风专业要求和总图的布置， 需 要在紧邻外墙处设置烟囱， 烟囱高度 ２５ｍ， 直径 ２ｍ， 采用等截面设计， 最高烟 气 温 度 ２１７℃； 青 岛 基 本 风 压 ０．６ｋＮ／ｍ２， 地 面 粗 糙 度 为 Ｂ 类 ， 地 震 设 防 烈 度 ６ 度 ， 地 震 加 速 度 ０．０５ｇ， 地 震 分 组 为 第 二 组 ， 场 地 类 别 为 Ⅱ类， 夏季极端最高温度为 ３５．４℃， 冬季极端最低气温－ １５．５℃， 大气湿 度 ７５％。根据通风等专业要求和总图平面布置状况， 确定采用等截面 自立式钢烟囱， 内设轻质浇筑料。
２．荷载计算
度之积， 分节进行计算。本工程中各节自重 Ｇｉ 及每个截面处的轴力 Ｎｋｉ
钢烟囱分为自立式、塔架式和拉索式三种结构形式。对于不同的 如下表：
结构形式， 其荷载与作用也不尽相同。对于自立式钢烟囱其荷载与作
０
１
２
３
合计
用主要包括： 永久 荷 载 （ 包 括 自 重 、土 重 、土 压 力 等 ） 、可 变 荷 载 与 作 用 截面标高
≤ｆｉ 及 )ｃｒｔ
)ｃｒｔ＝０．４
Ｅｔ Ｋ
&ｔ ｄｉ
Ｎｉ (Ａｂｉ
± Ｗｂｉ（１－
Ｍｉ ０．８Ｎｉ／ＮＥＸ）
≤ｆｉ
ＮＥＸ＝
!２ＥｔＡｂｉ １．１$２
（ １２） （１２－ １）
（１３） （１３－ １）
式中 Ｍｉ— ——钢烟囱水平截面 ｉ 的 最 大 弯 矩 设 计 值 （ 包 括 风 弯 矩 和水平地震作用弯矩） （ Ｎ﹒ｍｍ） ；
０
５０．９
１８７．５
４１３．７
２．３．２ 横 风 向 风 荷 载 效 应 计 算 试 验 表 明 横 向 风 振 与 雷 诺 数 Ｒｅ 相关， 当风速 较 低 ， 即 Ｒｅ＜３Ｘ１０６ 时 可 发 生 亚 临 界 微 风 共 振 ， 只 需 构 造 上采取防振措施即可； 当 风 速 稍 大 即 ３Ｘ１０６≤Ｒｅ＜３．５Ｘ１０６ 时 属 超 临 界 范围， 旋涡脱落没有明显周期， 结构的横向风振呈随机性； 而当风速增 大 到 Ｒｅ＞３．５Ｘ１０６ 时 ， 进 入 跨 临 界 范 围 ， 就 会 出 现 周 期 性 旋 涡 脱 落 ， 一 旦与结构自振频率接近， 结构将发生强风共振， 结构设计中必须重视。 根据《建 筑 结 构 荷 载 规 范 》第 ７．６．１ 之 ４， Ｒｅ＝６９０００ＶｍＤｍ， 其 中 Ｖｍ 和 Ｄｍ 分别为 ２／３ 高度处的风速和直径。 经 计 算 本 工 程 Ｒｅ＝５Ｘ１０６＞３．５Ｘ１０６，
式中
βｚ— ——风振系数， 按《建筑结构荷载规范》取用 μｓ— ——风荷载体型系数， 按《建筑结构荷载规范》表 ７．３．１ 之 ３６ 项 计算
μｚ— ——风压高度变化系数， 按《建筑结构荷载规范》表 ７．２．１ 选用 ω０— ——基本风压， 按《建筑结构荷载规范》取用 顺风向风荷载效应：
Ｑｉ＝Ｄｃｐωｋｈｉ； Ｍｉ＝ΣＱｉｈｉ
２５．０
１７．０
（ 包括风荷载、烟气温 度 作 用 、安 装 检 修 荷 载 、平 台 活 荷 载 、裹 冰 荷 载 、
９．０
±０．０００
大气温度作用、常遇地震作用、烟气压力及地基沉陷等） 、偶然作用（ 包
Ｇｉ（ｋＮ）
０
６０．７
６０．７
６８．０
１８９．４
括罕遇地震作用等） 。对于内设浇筑保温料的自立式轻型钢烟囱来说
ｔｎ— ——筒壁厚度（ ｍ） ； αｉｎ— ——内衬内表面传热系数［Ｗ／ （ｍ２﹒Ｋ）］； αｅｘ— — — 筒 壁 外 表 面 传 热 系 数［Ｗ／（ｍ２﹒Ｋ）］； Ｒｅｘ— ——筒壁外表面的热阻（ ｍ２﹒Ｋ／Ｗ） ； 本工程中 ｒ２／ｒ１＝１０００／９９０＝１．０１＜１．１， 可采用平壁法计 算 ； ｔ１＝０．０８０， ｔ２＝０， ｔｎ＝０．０１０，λ１＝０．２５， λ２＝５８．１５， αｉｎ＝３８； αｅｘ＝１２， 代入以上各 式 后 得 Ｒｔｏｔ＝ ０．４２９ｍ２﹒Ｋ／Ｗ； Ｔｇ＝２１７℃， Ｔａ＝３５℃， 代入式（ １） 得筒壁受热温度 Ｔ２＝７０．６℃ ＜１００℃， 故钢材强度及弹性模量折减系数为 １．０。 ２．２． 筒身自重计算： 筒壁和内衬的自重按各自的体积与重力密
０
３４６．２
１２０６
２４２３
临界风速时在 １０ｍ 标高处对应的顺风向基本风压 ωｃｒ１０：
２’
# $ ωｃｒ１０＝
（１．３Ｖｃｒ１）２ １６００
１０ Ｈ
（ １０）
本工程中临界风速时对应的各截面顺风向风压标准值计算如下
表：
截面号
０
１
２
３
截面号
０
１
２
３
ＭＡｉ（ｋＮ·ｍ）
０
３８．１
１４０
３０８
风的总效应可将横向风荷载效应 Ｓｃ 与对应风速时顺风向荷载效
（ ４）
式中 Ｑｉ— ——第 ｉ 截面处剪力
Ｍｉ— ——第 ｉ 截面处弯矩
Ｄｃｐ— ——第 ｉ 截面处平均外径
ωｋ— ——第 ｉ 截面处顺风向风荷载平均风压标准值
ｈｉ— ——第 ｉ 段筒身高度
本工程各截面顺风向风荷载效应计算结果如下表：
０
１
２
３
合计
Ｑｉ（ｋＮ）
０
１２．７
８．７
７．４
２８．８
Ｍｉ（ｋＮ·ｍ）
λｎ— ——筒壁的导热系数［Ｗ／ （ｍ﹒Ｋ）］；
ｔ１— ——内衬厚度（ ｍ） ；
ｔ２— ——隔热层厚度（ ｍ） ；
（２－ ２） （２－ ３） （２－ ４） （２－ ５）
效应， 还要考虑横向风荷载效应。
２．３．１ 顺风向风荷载的计算：
顺风向风荷载标准值 ωｋ 按下式计算：
ωｋ＝βｚμｓμｚω０
（ ３）
Ｎｉ— ——与 Ｍｉ 相应的轴向压力或 轴 向 拉 力 （ 包 括 结 构 自 重 和 竖 向 地震作用） （ Ｎ） ；
Ａｎｉ— ——计算截面处的净截面面积（ ｍｍ２） ； Ｗｎｉ— ——计算截面处的净截面抵抗矩（ ｍｍ３） ； ｆｔ— ——温度作用下钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值（ Ｎ／ｍｍ２） ； σｃｒｔ— ——钢烟囱局部稳定的临界应力值（ Ｎ／ｍｍ２） ； ｔ— ——计算截面 ｉ 的筒壁厚度（ ｍｍ） ；
ξｊ— ——第 ｊ 振型阻尼比； 对于第 １ 振型 ξｊ＝０．０１；
本工程中各截面跨临界强风等效风压计算结果如下表：
截面号
０
１
２
３
Ｚ／Ｈ
１
０．６８
０．３６
０
φｚ
１
０．５６４
０．１９４
０．０２
ωｃｒ１
６．９２
３．９
１．３４
０．１４
则横风向共振风压引起的弯矩计算结果如下表：
截面号
０
１
２
３
Ｍｃｉ（ｋＮ·ｍ）