某煙囪及吸收塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

謝亮

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 重慶 400013)

引言

目前，電廠脫硫設(shè)施經(jīng)常會(huì)由于受場(chǎng)地條件限制，把吸收塔和煙囪二合一進(jìn)行布置，其中下部設(shè)置吸收塔，上部設(shè)置煙囪排放煙氣，方案具有占地小、流程簡(jiǎn)單、投資小、運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)為大直徑薄壁鋼高聳結(jié)構(gòu)，塔體需開(kāi)設(shè)大尺寸孔洞，內(nèi)部還有漿液載荷、煙氣壓力等，結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，故對(duì)煙囪及吸收塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核較為重要。

1 工程概況

某煙囪及吸收塔本體設(shè)計(jì)如下：總高度為80m，全鋼結(jié)構(gòu)，0.000m～ +24.000m 部分為吸收塔，直徑為 13m，高徑比 1/1124，在吸收塔+11.422m 標(biāo)高處接原煙道，原煙道開(kāi)孔10.4m(寬) ×3.7m(高)；+24.000m～ +80.000m 部分為煙囪，直徑為 6.7m，+25.000m～ +35.000m部分為吸收塔與煙囪連接過(guò)渡段，吸收塔開(kāi)口處采用加勁板(型鋼)進(jìn)行加強(qiáng)，各段設(shè)計(jì)鋼板厚度見(jiàn)表1，煙囪及吸收塔設(shè)計(jì)立面及洞口加固示意見(jiàn)圖1，地腳螺栓設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。原有設(shè)計(jì)按照《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50051—2013)[1]中相關(guān)方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)煙囪的自振周期、橫風(fēng)向風(fēng)振影響、局部開(kāi)孔應(yīng)力集中現(xiàn)象等無(wú)法計(jì)算準(zhǔn)確，在設(shè)計(jì)時(shí)通常以保守取值，故擬采用有限元分析對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定等進(jìn)行安全性校核，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

表1 設(shè)計(jì)鋼板厚度Tab.1 Designed steel plate thickness

圖1 煙囪立面及洞口加固示意Fig.1 Chimney vertical view and reinforce hole drawings

圖2 地腳螺栓設(shè)計(jì)Fig.2 Anchor bolts drawings

2 有限元模型的建立

由于此種結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性、受力的復(fù)雜性，根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50051—2013)以及《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50135—2006)[2]常規(guī)公式計(jì)算難以準(zhǔn)確得到結(jié)構(gòu)自振周期、局部應(yīng)力等計(jì)算參數(shù)，擬采用ANSYS 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并對(duì)以下5 種最不利組合工況下的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行校核：(1)自重+風(fēng)荷載；(2)自重+風(fēng)荷載+負(fù)內(nèi)壓；(3)自重+風(fēng)荷載+漿液壓力；(4)自重+風(fēng)荷載+正內(nèi)壓+漿液壓力；(5)自重+風(fēng)荷載(局壓) +漿液壓力。

2.1 模型建立與單元選擇

煙囪及吸收塔外殼選用SHELL63 殼單元，洞口加固立柱、圓管、加勁板選用 Beam188 單元，有限元模型見(jiàn)圖3，模型計(jì)算時(shí)采用的材料參數(shù)、荷載取值、尺寸等見(jiàn)表2。

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing model

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)取值Tab.2 Design parameter

2.2 網(wǎng)格劃分及約束處理

有限元模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3，吸收塔開(kāi)洞口處等重點(diǎn)關(guān)注處采用網(wǎng)格加密處理，模型共有單元10265 個(gè)，節(jié)點(diǎn)10300 個(gè)，在結(jié)構(gòu)支座處考慮采用固結(jié)約束。

3 有限元分析結(jié)果

對(duì)煙囪及吸收塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，先進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)自振周期；再對(duì)結(jié)構(gòu)分別施加風(fēng)載、結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)壓或外壓、液體荷載、風(fēng)荷載(整體風(fēng)壓或局部風(fēng)壓)等工況，并對(duì)工況進(jìn)行組合，計(jì)算5 種最不利工況組合下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形是否滿足規(guī)范要求。

3.1 模態(tài)分析

前三個(gè)振型的自振周期見(jiàn)表3，計(jì)算時(shí)，取煙囪及吸收塔結(jié)構(gòu)第1 振型自振周期T1來(lái)進(jìn)行計(jì)算雷諾數(shù)、臨界風(fēng)速等參數(shù)。

3.2 工況一計(jì)算結(jié)果

工況一作用下整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力見(jiàn)圖5，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為87.4MPa，位于煙囪開(kāi)孔處，校核各標(biāo)高處應(yīng)力見(jiàn)表4，控制應(yīng)力計(jì)算按照《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013—2013)10.3.2條公式計(jì)算。煙囪及吸收塔最大變形值為69.2mm，位于煙囪及吸收塔頂部，變形滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50135—2006)的1/100H的水平位移要求。

表3 自振周期及頻率Tab.3 Natural period and frequency

圖5 工況一應(yīng)力云圖與變形圖Fig.5 Stress nephogram and deformation for No.1 condition

表4 工況一應(yīng)力校核Tab.4 Stress checklist for No.1 condition

3.3 工況二計(jì)算結(jié)果

工況二作用下整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力見(jiàn)圖6，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為87.3MPa，位于煙囪開(kāi)孔處，校核工況二各標(biāo)高處應(yīng)力見(jiàn)表5。煙囪及吸收塔最大變形為69.4mm，位于煙囪及吸收塔頂部，變形滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50135—2006)的1/100H的水平位移要求。

3.4 工況三計(jì)算結(jié)果

工況三作用下整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力見(jiàn)圖7，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為98.3MPa，位于煙囪及吸收塔開(kāi)孔處，校核工況三各標(biāo)高處應(yīng)力見(jiàn)表6。煙囪及吸收塔最大變形為69mm，位于煙囪及吸收塔頂部，變形滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50135—2006)的 1/100H的水平位移要求。

3.5 工況四計(jì)算結(jié)果

工況四作用下整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力見(jiàn)圖8，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為99.121MPa，位于煙囪及吸收塔開(kāi)孔處，校核工況四各標(biāo)高處應(yīng)力見(jiàn)表7。煙囪及吸收塔最大變形為68.5mm，位于煙囪及吸收塔頂部，變形滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50135—2006)的1/100H的水平位移要求。

圖6 工況二應(yīng)力云圖與變形圖Fig.6 Stress nephogram and deformation for No.2 condition

圖7 工況三應(yīng)力云圖與變形圖Fig.7 Stress nephogram and deformation for No.3 condition

表5 工況二應(yīng)力校核Tab.5 Stress checklist for No.2 condition

表6 工況三應(yīng)力校核Tab.6 Stress checklist for No.3 condition

圖8 工況四下應(yīng)力云圖及變形圖Fig.8 Stress nephogram and deformation for No.4 condition

3.6 工況五計(jì)算結(jié)果

工況五作用下整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力見(jiàn)圖9，最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為220.13MPa，位于煙囪及吸收塔開(kāi)孔處加勁板上，說(shuō)明此處應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，故建議將洞口處加勁修改為箱型梁加勁，做法見(jiàn)圖10，修改后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，洞口處最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為73.9MPa，其余各標(biāo)高處應(yīng)力校核見(jiàn)表8。煙囪及吸收塔最大變形為51.8mm，位于煙囪及吸收塔頂部，變形滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50135—2006)的1/100H的水平位移要求。

表7 工況四應(yīng)力校核Tab.7 Stress checklist for No.4 condition

表8 工況五應(yīng)力校核Tab.8 Stress checklist for No.5 condition

圖9 工況五下應(yīng)力云圖及變形圖Fig.9 Stress nephogram and deformation for No.5 condition

圖10 洞口處箱型梁加勁圖Fig.10 Reinforced hole of box beam drawings

3.7 橫風(fēng)向風(fēng)振影響驗(yàn)算

煙囪及吸收塔橫風(fēng)向風(fēng)振影響驗(yàn)算根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50051—2013)中相關(guān)公式進(jìn)行驗(yàn)算，其中，自振周期T1取0.414s，各參數(shù)計(jì)算如下：雷諾數(shù)Re=2.38×107＞3.5×106；臨界風(fēng)速νcr=51.54m/s；頂部風(fēng)速νH=37.47m/s；故1.2νH＜νcr，根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50051—2013)5.2.4條判斷，本結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生橫風(fēng)向共振響應(yīng)。

3.8 地腳螺栓驗(yàn)算

地腳螺栓驗(yàn)算時(shí)，分析煙囪及吸收塔底部組合工況，最不利荷載組合取彎矩設(shè)計(jì)值M=4.16×104kN·m，軸力設(shè)計(jì)值N=3447.1kN，剪力設(shè)計(jì)值V=980.24kV，底部螺栓48-M52(Q345B)，根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50051—2013)第10.3.2條進(jìn)行計(jì)算，單個(gè)螺栓所需最大拉力設(shè)計(jì)值為188.95kN，M52螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為297.32kN，安全系數(shù)K=1.57，滿足規(guī)范要求。

3.9 其他設(shè)計(jì)校核

根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50051—2013)第10.3.2條第6款規(guī)定，煙囪及吸收塔開(kāi)孔處宜補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)后洞口水平截面面積應(yīng)不小于無(wú)孔洞的相應(yīng)圓筒壁水平截面面積，故建議將開(kāi)孔處2m范圍內(nèi)煙囪側(cè)壁由6mm加厚到16mm。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某煙囪及吸收塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)校核，結(jié)論如下：

1.通過(guò)對(duì)煙囪及吸收塔進(jìn)行模態(tài)分析，可得到相對(duì)較為合理準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)自振周期。

2.該煙囪及吸收塔強(qiáng)度、剛度、地腳螺栓、橫風(fēng)向風(fēng)振影響等設(shè)計(jì)均滿足《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50051—2013)的要求。

3.各種工況組合下煙囪及吸收塔最大水平變形為69.2mm，高徑比為1/1156，說(shuō)明本煙囪及吸收塔剛度較好，并滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50135—2006)的 1/100H的水平位移要求。

4.根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50051—2013)第10.3.2 條第6 條規(guī)定，煙囪及吸收塔開(kāi)孔處宜補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)后的面積應(yīng)不小于無(wú)洞口的相應(yīng)圓筒壁水平截面面積，建議將開(kāi)孔處2m 范圍內(nèi)煙囪側(cè)壁由6mm 加厚到16mm。

5.經(jīng)計(jì)算分析，采用原有設(shè)計(jì)開(kāi)孔處加固措施時(shí)，開(kāi)孔處應(yīng)力集中較大，建議將煙囪及吸收塔開(kāi)孔處加固修改為箱型梁構(gòu)造(標(biāo)高+14.220m 處)，修改后經(jīng)重新分析，大大緩解了洞口應(yīng)力集中的現(xiàn)象。