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摘要:针对某钢筋混凝土异形烟囱进行有限元分析，通过有限元计算考虑异形烟囱的附加弯矩，并进行承载能力极限状态和正常使用极限状态结果分析，表明烟囱整体应力水平满足设计要求，可对设计起到有效的参考作用。
关键词:钢筋混凝土烟囱，异形，附加弯矩
1概述
某化工厂根据生产工艺需要，拟新建一钢筋混凝土烟囱，业主为追求更好的立面效果，达到与周围环境相协调的目的，决定采用方形烟囱。该方形烟囱高176mm，钢内筒直径4．3m。考虑到现行GB50051—2013烟囱设计规范中的设计原理和计算公式均是基于常规圆形烟囱，特别是内力计算分析，配筋设计的计算公式均是按圆形截面进行，对于方形烟囱不能直接采用，需要借助其他方法来解决，因此结合已有工程的设计经验，采用有限元分析进行复核分析，为施工图设计提供指导意见。
2有限元模型及荷载
有限元分析采用的是有限元软件MIDAS/GenV8．0，根据烟囱外筒受力特点，有限元计算时采用厚板单元。MIDAS/Gen软件所采用的板单元，根据平面外刚度不同可以把单元划分为薄板和厚板，厚板采用TimoshenkoBeam理论，可考虑平面张拉、平面压缩、平面剪切及平板沿厚度方向的弯曲、剪切问题。网格划分按1．0m×1．0m考虑，现阶段建模分析考虑4m×6m施工孔洞一个。表1列出了烟囱的主要尺寸数据。模型计算时假定基础为刚性，属于完全固定端。基本荷载和荷载组合:按照“烟囱规范”的要求首先进行基本荷载作用工况的内力计算，即考虑自重，风荷载，地震作用，附加弯矩，平台活荷载、施工吊装荷载及安装检修荷载，温度作用只考虑日照作用下的温度作用而不考虑外筒内外温差引起的温度应力和温度对材料的影响。由于目前没有进行风洞试验，没有取得结构实际风压分布，目前风荷载取值时暂按照GB50009—2012建筑结构荷载规范执行，见表2，表3，地震作用取值见表4。温度作用取值如图1所示，阳面单元温度取20℃，阴面单元温度一律取0℃，温度作用施加到板单元，以体现日照温度的影响。在承载能力极限状态和正常使用极限状态计算时，还要考虑由于风荷载、日照、基础倾斜等原因筒身重力荷载对任意水平截面产生的附加弯矩。“烟囱规范”的附加弯矩计算公式是根据圆形截面推导出，不适用矩形截面，应该根据结构力学和材料力学重新推导矩形截面附加弯矩计算公式，采用有限元分析可以准确考虑附加弯矩。根据“烟囱规范”第7．2．7条规定，筒身代表截面取90．5m出筒身截面，考虑竖向地震作用，基础倾斜角取0．003，日照温差取20℃。经过软件迭代计算，可以得到不同状态下各层附加弯矩值(见表5)。在考虑以上各种荷载作用下，首先对承载力极限状态进行以下工况分析:1)1．0恒载+1．4风+平台活载+1．0附加弯矩。2)1．2恒载+1．4风+0．98平台活载+1．0附加弯矩。3)1．35恒载+1．4风+0．98平台活载+1．0附加弯矩。4)1．0恒载+0．63风+1．3施工活载+1．0附加弯矩。5)1．2恒载+0．63风+1．3施工活载+1．0附加弯矩。6)1．35恒载+0．63风+1．3施工活载+1．0附加弯矩。7)0．9×(1．2重力荷载代表值+0．28风+1．3水平地震+附加弯矩)。其次，正常使用极限状态下进行以下工况分析:1)1．0恒载+1．0温度作用+1．0风+0．7平台活载+1．0附加弯矩，用于计算水平截面;2)1．0温度作用，用于计算垂直截面。
3有限元结果分析
3．1承载能力极限状态。承载能力极限状态计算只包括水平截面强度计算，垂直截面仅承受温度作用，而在温度作用下，截面的破坏属于变形极限状态，结果见表6。各荷载工况组合下板单元正应力分析结果见表7。各工况下烟囱最大压应力9．5MPa，最大拉应力2MPa。通过表6可以看出在结构设计过程中，风荷载起控制作用，地震作用不起控制作用。筒壁受拉钢筋计算采用工况一，筒壁受压钢筋计算采用工况三。根据以上设计控制工况可以进行筒身竖向钢筋配置。
3．2正常使用极限状态。正常使用极限状态的计算包括验算水平和垂直截面最大拉压应力不能超过材料强度;验算筒身水平截面和垂直截面的裂缝宽度不能超过规范的容许值(见表8)。根据垂直截面的最大拉压应力可以确定横向钢筋配置，进而可以进行筒身水平截面和垂直截面的裂缝宽度验算。
4结论
通过对两个方案的有限元分析，可以得到以下结论:1)烟囱整体应力水平均可以满足设计要求;2)结构的控制工况是风荷载，地震作用的影响并不明显，竖向配筋设计时控制工况为工况一和工况三;3)孔洞周边存在应力集中，可通过分析孔周围应力分布情况，为孔周边加强措施的设计提供依据。
参考文献:
［1］GB50011—2013，烟囱设计规范［S］．
［2］GB50009—2012，建筑结构荷载规范［S］．
［3］陆卯生．火力发电厂高烟囱设计的回顾与展望［J］．电力建设，1998(7):13-15．
作者:李亮 单位:中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司