某烟囱改造工程自立式钢内筒的内力分析

某烟囱改造工程自立式钢内筒的内力分析

钱冬，顾文涛，余俊伟

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

摘要：以某自立式钢内筒烟囱改造工程为例，采用烟囱设计软件进行内外筒联算，采用有限元分析软件对钢内筒进行复核验算。通过对烟囱设计软件与有限元分析软件计算结果的对比分析，说明这一计算方法的合理性和适用性。

关键词：自立式钢内筒；烟囱软件；有限元；对比分析

0引言

某燃煤发电机组有一座高240.0米，出口内径为8.8米的砖内筒钢筋混凝土烟囱。根据工艺要求，需对FGD装置进行增容改造，拟拆除烟囱内的砖内筒，在原烟囱内新增设置一座直径为8.8米的自立式钛钢复合板内筒，钢内筒高243米，并与原外接钢烟道相连。保留原有烟囱平台，并对其进行改造，在60m、120m、180m、230m层平台设置钢内筒止晃点。

本文通过运用烟囱设计软件[1]和有限元分析软件分别对自立式钢内筒进行计算分析，通过计算结果对比，复核这一计算方法的合理性。

1 外部输入条件及钢内筒截面参数

1.1 外部输入条件

1）基本风压：0.37kN/m2（50年一遇）；地面粗糙度类别：B类。

2）抗震设防烈度：7度（0.10g）；设计地震分组为：第一组，建筑场地类别：Ⅱ类。

3）环境极端高温38.5℃，环境极端低温-10.8℃，烟气正常运行温度54℃，烟气异常温度150℃。

1.2 钢内筒的截面参数

钢内筒为直径8.8米的自立式钛钢复合内筒，钢内筒高243米，钢内筒的截面参数见表1-1。钢内筒的止晃平台标高分别为60m、120m、180m、230m。

表1-1钢内筒截面参数表

2 钢内筒外部作用分析

自立式钢内筒[2]的外部作用主要为钢内筒自重荷载（含钢内筒筒壁及加劲肋荷载、钢内筒壁积灰及保温层荷载）、外筒通过止晃点作用给钢内筒的位移荷载。

采用烟囱软件对钢筋混凝土外筒烟囱进行建模计算，得出钢筋混凝土烟囱外筒位移如表2-1，即烟囱外筒作用在自立式钢内筒上的水平位移荷载。

根据《烟囱规范》[3]5.6.12条，计算出自立式钢内筒由筒壁温差引起的水平位移见表2-1。

表2-1钢内筒的位移荷载标准值（mm）

备注：外筒作用给内筒的位移荷载工况如下：

      工况1： 恒载(1.0)+风荷载(1.0);

      工况2： 重力荷载代表值(1.0)+风荷载(0.20)+水平地震力(1.0)-竖向地震力(0.4);

      工况3： 重力荷载代表值(1.0)+风荷载(0.20)+水平地震力(1.0)+竖向地震力(0.4);

      工况4： 重力荷载代表值(1.0)+风荷载(0.20)+水平地震力(0.4)-竖向地震力(1.0);

      工况5： 重力荷载代表值(1.0)+风荷载(0.20)+水平地震力(0.4)+竖向地震力(1.0);

工况6： 恒载(1.2)+风荷载(0.28)(用于非正常温度工况）。

3 有限元软件计算结果及分析

采用有限元分析软件对自立式钢内筒进行建模计算，采用杆单元模拟钢内筒筒壁，底部采用固端约束，止晃点标高作用位移荷载，将计算得到的各类荷载作用在自立式钢内筒上。

钢内筒水平截面应力计算荷载的基本组合如下：

工况1：恒载(1.0)+风荷载控制的位移荷载(1.4)+正常温度荷载(1.0);

工况2：恒载(1.2)+风荷载控制的位移荷载(1.4) +正常温度荷载(1.0);

工况3：重力荷载代表值(1.0) +水平地震力(1.3)-竖向地震力(0.5)+地震控制的位移荷载（1.3）+正常温度荷载(1.0)；

工况4：重力荷载代表值(1.2) +水平地震力(1.3)+竖向地震力(0.5) +地震控制的位移荷载（1.3）+正常温度荷载(1.0)；

工况5：重力荷载代表值(1.0) +水平地震力(0.5)-竖向地震力(1.3) +地震控制的位移荷载（0.5）+正常温度荷载(1.0)；

工况6：重力荷载代表值(1.2) +水平地震力(0.5)+竖向地震力(1.3) +地震控制的位移荷载（0.5）+正常温度荷载(1.0)；             

工况7：恒载(1.2)+风荷载控制的位移荷载(0.28) +非正常温度荷载(1.0) (用于非正常温度工况）；

根据以上荷载组合，采用有限元软件计算得到的自立式钢内筒在各荷载工况下的水平截面（拉）压应力见表3-1，对应的钢内筒水平截面（拉）压应力曲线见图3-1。

表3-1有限元软件计算的钢内筒在各荷载工况下的水平截面应力（MPa）

图3-1有限元分析软件计算的钢内筒在各荷载工况下的水平截面应力（MPa）

由图3-1可以看出，采用有限元分析软件计算时，工况4下的钢内筒水平截面应力最大，在标高0m、60m、120m、240m处的钢内筒截面应力控制工况为工况4，标高180m处的钢内筒截面应力控制工况为工况3；钢内筒在标高60m处的水平截面应力最大，当标高大于60m时，钢内筒的水平截面应力随着标高的增加而减小。

4烟囱软件计算结果及分析

采用烟囱软件对钢筋混凝土烟囱外筒和自立式钢内筒进行建模联算，得出自立式钢内筒在各荷载工况下的水平截面（拉）压应力表4-1，对应的钢内筒水平截面（拉）压应力曲线见图4-1。

表4-1烟囱软件计算的钢内筒在各荷载工况下的水平截面应力（MPa）

图4-1烟囱软件计算的钢内筒在各荷载工况下的水平截面应力（MPa）

由图4-1可以看出，采用烟囱设计软件计算时，工况4下的钢内筒水平截面应力最大，在标高0m、60m、120m、180m、240m处的钢内筒截面应力控制工况均为工况4；钢内筒在标高60m处的水平截面应力最大，当标高大于60m时，钢内筒的应力随着标高的增加而减小。

5两种软件计算结果对比分析

根据《烟囱规范》[3]8.3.5条，得出自立式钢内筒的抗压强度允许值见表5-1。

表5-1自立式钢内筒抗压强度允许值（MPa）

注：表示-抗震调整系数,取0.8。

根据有限元分析软件和烟囱设计软件计算的自立式钢内筒内力结果表3-1和表4-1，得到在各荷载工况下，两种软件计算的自立式钢内筒水平截面应力曲线见图5-1。

图5-1在各荷载工况下的两种软件计算的钢内筒水平截面应力对比

由图5-1可以看出，在荷载工况1 ~ 4下，有限元分析软件计算出的钢内筒应力均大于烟囱设计软件，两种软件计算出的钢内筒应力差异在标高0m处最大，在标高60m处最小，采用有限元分析软件计算的结果偏安全；在荷载工况5 ~ 7下，有限元分析软件计算出的钢内筒应力均小于烟囱设计软件，两种软件计算出的钢内筒应力差异在标高60m处最大，在标高0m处最小，采用烟囱软件计算的结果偏安全。

由图5-1可以看出，在荷载工况2下，两种软件计算的自立式钢内筒60m标高处的应力均接近于钢内筒的抗压强度允许值，为自立式钢内筒60m标高处壁厚设计的控制工况；在荷载工况7（非正常温度工况）下，钢内筒在60m标高处的应力最大，原因60m标高处为离烟道出口最近的止晃点，受异常温度影响最大。

由图5-1可以看出，两种软件计算的自立式钢内筒在各荷载工况下的水平截面应力均小于钢内筒的抗压强度允许值，钢内筒的承载力均满足烟囱规范的要求。

6结语

本文通过对自立式钢内筒进行建模分析，将有限元分析软件和烟囱设计软件的计算结果进行对比分析。结果显示，自立式钢内筒在标高60m（底部第一个止晃点）处的水平截面应力最大，两种分析软件得到的自立式钢内筒的承载力均能满足烟囱规范的要求。

自立式钢内筒的设计是一项很复杂的计算过程，虽然电算程序在钢内筒设计中得到广泛应用，但工程设计人员对于其中的计算步骤的验算同样必不可少。通过两种以上的软件计算分析，对钢内筒进行内力验算，以满足自立式钢内筒的各项规范要求，确保工程设计合理安全适用。

参考文献

[1]牛春良. 烟囱工程手册[M]. 北京:中国计划出版社，2004.

[2]李龙,刘斌,王锐.火电厂单筒烟囱改造方案探讨和建议[J].山西建筑, 2016.

[3]国家标准. 烟囱设计规范GB50051-2013[S].