火电厂临时窄基塔架钢烟囱设计.pdf

火 电厂临时窄基塔架钢烟 囱设计 李文峰 安 徽 省 电 力 设 计 院 ， 安 徽合 肥2 3 0 6 0 1 摘要 随着环保越来越受到重视，国内 很多电厂对烟气采用了湿法脱 硫处理 ， 烟 囱尾 气为具有强腐蚀性的湿烟气，由于早期设计 中没有较 多的 经验参考 ， 造成很多烟 囱出现腐蚀损坏甚至倒塌。部分 电厂在原烟 囱出现 严重损坏后，综合考虑，采用就近新建临时塔架烟 囱的改造方式，这种临 时烟囱具有塔基根开小、 施工工期紧等特点。文章通过有限元整体计算方 法，分析出烟囱的受力特点和构造注意事项，为今后相似类型烟 囱的设计 提供参考。 关键 词 塔架；内筒；耦合；湿法脱硫 中图分类号T U 7 6 1 ．2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 5 9 2 0 1 6 0 2 - 0 1 8 5 - 0 3 D OI 1 0 ． 1 6 3 3 0 ／ j ．c n k i ． 1 0 0 7 - 7 3 5 9 ． 2 0 1 6 ．0 2 ． 0 6 5 1 工程概 况 合肥某热电厂原设计为钢筋砼单套筒烟囱， 内筒 为耐酸钢内涂玻璃鳞片防腐， 尾气经过湿法脱硫 ， 烟 囱内烟气为典型的湿烟气， 具有极强的腐蚀性。 烟囱 运行约 3 年后， 出现排烟内筒内涂玻璃鳞片起皮脱落 现象， 运行 6 年后出现内筒耐酸钢板大面积腐蚀穿孔 问题 ，经过评估 ，原烟囱已经无法再满足运行需要 。 综合考虑 ， 在原烟囱东侧新建一座相同排烟直径、 高 度的临时运行烟囱。 由于该热 电厂对片区供热意义重 大， 建设方对工期要求严格， 且扩建场地也十分有限， 综合考虑 ，最终选取塔架烟囱方案 。 排烟筒高度 1 2 0 ． 0 0 m，塔架高度 1 1 6 ．0 0 m，排烟 筒出口直径 4 ． 0 0 m， 基本风压 0 ． 3 5 k N ／ m ， 地面粗糙度 B类 ，抗震设防烈度为 7度 0 ． 1 0 g ，设计地震分组 为第一组 ，场地类别 Ⅱ 类。 2 塔架烟囱模型及计算 2 ． 1 结构布置 塔架烟囱一般分为三角形和方形结构， 合理的根 开跨度宜为总高度的 1 ／ 8 ～ 1 ／4 ，常规设计中，根开一 作者简介 李文峰 1 9 8 7 一 ，男，安徽合肥人，毕业于武汉大学，硕士 工程师，主要从事电厂结构设计工作。 口 般选取总高的 1 ／ 6 1 ／ 4 ，但本工程 由于受场地限制 ， 口 最终方案选取塔架为方形结构形式， 根开取为总高的 1 ／ 8 ，即 1 5 ． 0 0 m。塔架顶部宽度 6 ．0 0 m，塔架主材采 用风载体型系数较小的无缝钢管或螺旋焊管， 最大尺 I 寸为 5 3 0 1 2 ， 最小尺寸为 1 8 0 X 8 ， 材质为Q 3 4 5 B 毫 或 Q 2 3 5 B 。 考虑本次新建烟囱为临时用， 综合造价考 虑 ，内筒仍采用耐酸钢内衬玻璃鳞片 ，内筒材质力学 性 能同 Q 2 3 5 B 钢 ，壁厚 自底向上 由 1 4 ram 递减为 1 0 m m。内筒 自立支承于0 ． 0 0 0 m，上部每隔一定距 离在塔架上设置导向支撑。 综合考虑结构和使用要求， 塔架共分为 2 3层， 每层高度自下而上分别由 6 m 递减为 3 m 布置如图 1 。每隔 2 ～ 3层设置一道横隔 型式如图 2 ，以保证 结构的抗扭刚度， 并作为内筒的横向支撑平台和检修 平台。四边形塔架四面结构形式相 同，底部两层采用 再分式人字撑， 便于烟道接人， 其余各层均采用普通 人字撑，斜撑与塔柱间夹角保持在4 0 。 一 5 0 。 之问。 嗵 图 1 塔架布置图 图 2 横隔布置图 I m 2 ． 2 有限元模型 塔架烟囱常规的分析方式有两种 一是分离式建 模计算，即将塔架与内简单独分析，在塔架分析时， 排烟内筒作为设备，将其所受风荷载作用于塔架上， 在导向支撑处设置质量源， 计算塔架的受力特征， 后 _一 将塔架的位移荷载施加于内筒上 ， 分析内筒受力 ； 二 口是整体式建模计算， 即将塔架与内筒整体分析， 在导 ． 向支撑处，将塔架与内筒的水平位移 自由度耦合。 差 两种分析方式中，第二种更接近真实受力情况， 第一种忽略了内筒对整体模型的刚度影响， 进而影响 结构风荷载和地震作用计算 ， 且内筒 自身的自振周期 由于受边界条件的影响也会有所不同 ， 进而影响内筒 一 对塔架的风荷载和地震作用的添加 。 有论文对两种模 型分析结果进行对比， 结果显示第一种模型更偏于保 守 ， 但 由于选取 的工程具有特 一 定的结构周期和特征周期 ，其 结论不具备通用性。 本文采用 m i d a s g e n有 限 元软件对塔架烟 囱采用整体 建模分析 ， 塔柱各拼接点考虑 为刚性连接 ， 横梁及支撑端部 考虑为铰接点 ，内筒采用杆单 元建模 ，在导向平 台处 ，将内 筒节点与塔架节点耦合水平 方向自由度。 2 ． 3 荷载取值及加载 图 3 塔架烟 囱整体模型 塔架烟 囱主要受恒载 、检修活载 、风载 、地震作 用等。 其中恒载与检修活载为常规荷载， 按 烟囱设 计规范 添加， 值得提出的是，由于建模中， 一般不 考虑塔架节点板 、内筒加劲肋等模型细节的输入 ， 为 保证结构模型的真实有效性， 采用增加材质密度的方 式进行模拟 。 对风载 ，需要考虑 0 。 与 4 5 。 两个方 向施加 ，风荷 载计算时 ， 需要考虑体形系数及顺风 向风振 问题 ， 根 据 烟囱设计规范 规定， 塔架式烟囱可分别计算塔 架与内筒的风荷载。对风荷载体形系数 ， 按 建筑结 构荷载规范 进行计算选取， 钢管塔架需要根据各节 的挡风系数分别计算各节的体形系数值，需要注意， 在两个方向风荷载添加时， 应分别选取两个方向的挡 风系数进行计算， 另外， 还需要考虑节点连接板及爬 梯等附加件对风荷载的影响；对风载顺风向风振系 数， 需要根据计算模型的自振周期进行核算， 在结构 构件优化的过程中，风荷载均应进行相应调整。 地震作用采用地震分解反应谱法计算， 分析中选 取前 1 5阶阵型 ，其平动阵型参与质量 比为 9 1 ％，满 足结构设计要求 ， 其前两阶单向平动模态和第一阶扭 转模态如下图所示 。 图 4 ． 1 第一阶 平动模态 圈 4 ．2 第二阶 平动模态 3 塔架烟囱设计 图 4 ．3 第一阶 扭转模态 图 4 ．4 第三阶 平动模态 3 ． 1 结果分析及构件设计特点 从位移结果看， O 。 风载作用引起的塔顶最大位移 为 3 1 2 mm，4 5 。 风 载作 用 引起 的塔顶 最 大位 移 为 3 8 3 mm， 单向地震作用引起的塔顶最大位移为 2 2 m m， 从分析结果看， 塔架的抗侧刚度能够满足规范要求不 大于塔高 1 ／ 1 0 0 的要求。 从内力结果看 ， 塔架主要控制荷载为风荷载 ， 对 本工程而言 ， 其引起的塔柱底部轴力约为地震荷载 的 1 O倍左右，因此，风荷载的输入至关重要。对 0 。 风 载和 4 5 。 风载进行 比较 ，结果显示 4 5 。 风载引起的塔 柱 内力约为 0 。 风载的 2倍 ，对方形布置塔架 ，4 5 。 风载起控制内力作用， 分析引起此现象的原因， 主要 是 4 5 。 风向下 ，风荷载作用相对较大 ，且由 0 。 风 向的 4根塔柱转变为 4 5 。 风 向的2根塔柱来抵抗倾覆弯矩 。 从构件内力来看， 横杆及斜腹杆内力较小， 其截 面主要为长细比控制； 对塔柱杆件， 其底部受力较大， 为强度控制，顶部内力较小，为长细比控制。因此， 对塔柱而言， 底部强度控制区域宜采用屈服强度更高 的 Q 3 4 5 B钢，而其余构件采用 Q 2 3 5 B钢。 3 ． 2 细节构造设计 鉴于工期要求严格，为加快施工方施工进度 ， 本 工程未考虑采用相贯线连接，而采用节点板连接设 计。塔架结构中，塔柱的计算长度取为横杆间长度， 为防止钢管塔柱构件斜平面失稳， 理论上应每层均设 置横隔， 但试验结构表明一般每隔 2 ～ 3 层设置一道横 隔可以保证结构安全。 采用相贯线连接， 其节点处抗 弯刚度较好， 进而能有效阻止塔柱在斜平面发生失稳 问题 ， 而采用节点板连接， 其刚性较差， 增加了钢管 塔柱斜平面失稳的风险， 为解决这一问题， 在设计时， 同层横梁间设置加劲肋 ， 增强节点的刚度 ， 从一定程 度上保证了结构的安全裕度 。 在设计中， 还应注意塔架杆件防振措施， 控制构 件的临界风速不小于 1 5 m ／ s ，以降低微风风振的发生 概率。 内筒在塔架横隔处与横隔杆件连接 ， 其连接点需 保证二者间的水平 向随动和垂直 向独立 ， 还应注意内 筒在温度升高时的膨胀问题， 另外在节点设计时， 为 减缓内筒应力集中，连接点处在内筒上设置刚性环， 如图 5所示。 4结语 本工程目前已投运半年， 使用性能良好， 结构安 全可靠， 证明了采用有限元进行火电厂塔架烟囱整体 分析的有效性 。 对小型火力发电厂改造的临时烟囱， 采用塔架烟 囱结构形式， 造价适中， 工期较短， 对于场地有局限 性的工程，采用窄基塔架也不会造成明显的费用升 高， 其方案具有优势。 塔架烟囱设计时， 横杆和斜杆受力较小， 可以进 行一定程度的优化 。 本工程考虑工期原因 ， 塔架与排 图 5 止晃点平面详图 烟筒同时施工，内筒按照自 立式设计，如工期宽松， 可以考虑采用内筒吊装在塔架上的悬吊式方式， 这种 设计会造成塔架工程量的增加， 但可以较大的节省排 烟筒工程量，在今后可以进行两种方案的比选研究。 参考文献 【 1 ]G B 5 0 0 5 1 2 0 1 2 ，烟囱设计规范[ s 】 ． 【 2 ]牛春 良烟囱设计手册【 M ] ． 北京中国计划出版社，2 0 1 4 ． 【 3 】王肇 民，马人乐．塔式结构[ M 】 ．北京科学出版社，2 0 0 4 ． [ 4 ]马涛 ，李潇潇，陈健 ，靳小虎 ． 电厂烟囱防腐改造中I f缶 时烟 囱设计[ J ] ． 黹 捉 女 莹 榍T 蛹 、 2 0 1 2 sl、 上接 第 1 8 4页 的突变太快 ， 容易使得结构形成薄弱层 ， 这样对结构 的抗震是 明显 的不利的。 楼板 开洞对结构抗震性能的影 响是一个复杂的 问题 ， 本文只研究 了其 中一个方面 ，只输人单向地震 波且只考虑了不同层开洞形式 ， 未考虑在同一层不同 开洞位置及不同开洞率对结构的抗震性能的影响。 参考文献 [ 1 】孙鹏，汤扬． 考虑楼板开洞的轻钢框架的 P u s h o v e r分析[J 】 ． 山西建筑 2 0 0 8 ，3 4 5 1 0 5 1 0 6 ． [ 2 】G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ，建筑抗震设计规范 [ s ]． [ 3 】程绍革 ， 王理， 张允顺． 弹塑性时程分析方法及其应用[J 】 ．建筑结构学报， 2 0 0 0 ，2 1 1 5 2 - 5 6 ． [ 4 1林春阳，童谷生． 弹塑性时程分析法验算七层框架薄弱层Ⅱ 】 ． 山西建筑 ， 2 0 0 5 1 8 5 1 - 5 2 ． 【 5 15 于晓慧 ， 尹新生 ， 赵哲． 楼板开洞对规则性框架结构的影响分析[ J 】 ． 吉林 建筑工程学院学报 ，2 0 1 1 ，2 8 5 1 7 2 0 ． [ 6 】G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ，混凝土结构设计规范 [ s] ． 【 7 ] 徐淑娟． 楼板局部开洞对高层建筑地震作用的影响研究[ D 】 _ 成都西华 大学 ，2 0 0 5 ． C 口 i 蠢 ； 舞 i n