套筒烟囱钢内筒结构有限元仿真分析

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【摘要】采用大型有限元分析软件Abaqus，对烟囱钢筋混凝土外筒和钢内筒进行整体建模，通过模拟各个荷载工况，来计算和分析钢内筒在受到外力作用时的内力和变形。

【关键词】烟囱；钢内筒；有限元

引言 钢内筒套筒烟囱因其优越的力学性能，得到火电厂的广泛应用。为确保烟囱结构的安全可靠，开展承载力计算与分析非常必要。有限元作为一种精确的结构计算方法，可以有效的应用在套筒烟囱钢内筒结构承载力计算中。本文选取某烟囱工程，对烟囱钢筋混凝土外筒和钢内筒进行整体建模，通过模拟各个荷载工况，来计算和分析钢内筒在受到外力作用时的内力和变形。

1、 计算模型

1.1 几何模型

自立式钢内筒套筒式烟囱由外筒和钢内筒组成，外筒为钢筋混凝土结构，内筒为钢结构，烟囱高240m，钢内筒有效内直径为9.2m。烟囱外筒为钢筋混凝土结构，高度为237m，最低处（0.0m）半径为10.75m，最高处（237m）半径为6.85m，中间段按不同的坡度变化。钢内筒和混凝土外筒由止晃装置连接，在高程60m、140m和225m设置有止晃装置。

1.2材料参数

外筒壁混凝土采用原设计强度C40，内筒壁钢内筒采用Q345B材质，均采用线弹性本构模型。C40混凝土重度取25 KN/m3，弹性模量取32500 MPa，泊松比为0.2，热膨胀系数为1.010-5。Q345B重度取78.5 KN/m3，弹性模量取210000 MPa，泊松比为0.3，热膨胀系数为1.210-5。

1.3荷载

烟囱承受的主要荷载包括结构自重、温度荷载、风荷载及地震作用。自重计算时，对各构件赋予材料密度，在程序中通过定义竖向重力加速度来计算结构自重。对于温度荷载，取20°C参考温度为初始温度，钢内筒正常烟气温度为50°C，非正常烟气温度取瞬间排烟最高温度150°C，分别计算正常温度和异常温度状况下结构受温度荷载产生的内力和变形。对于风荷载，本工程所在位置的基本风压值为0.41kN/m2，风荷载计算参照《烟囱设计规范》（GB50051-2013）和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）。

在Abaqus模型中，风荷载作为面荷载施加，烟囱表面各点风荷载的大小与高度z及与风向的夹角有关。对于地震荷载，采用反应谱法将模态分析法。 本工程建筑物场地类别为II类，基本地震加速度值0.05g，采取前三阶振型进行模态分析。

1.4边界条件

计算分析直接对烟囱混凝土外筒和钢内筒底部施加固端约束，即约束烟囱外筒底面节点的所有自由度。此外，考虑烟囱进烟口外部连接部分的相互作用，在钢内筒进烟口截断处施加对称边界，约束Z方向位移以及X、方向的转动。止晃装置与钢内筒和外筒均共节点，只限制钢内筒的水平方向位移。

2、荷载组合

根据《烟囱设计规范》（GB50051-2013）和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），对自立式烟囱承载能力极限状态设计以下四种基本组合。

考虑荷载组合下结构重要性系数，在工况一、工况二、工况三时，结构重要性系数为1.1，工况四时，结构重要性系数为0.8。对于温度荷载，进行荷载组合时只计算正常温升30°C的情况。

工况一：1.1*[恒载（1.0）+风载（1.4）+温度（1.0）]；

工况二：1.1*[风载（1.4）]；

工况三：1.1*[水平地震荷载（1.3）]；

工况四：0.8*[重力荷载代表值（1.0）+风载（0.28）+水平地震（1.3）+温度（1.0）]。

3、钢内筒荷载组合下结果分析

比较在不同荷载组合下，套筒自立式烟囱钢内筒应力分布见图2，分别是工况一至工况四荷载组合的Mises应力云图。

由Mises应力云图可以看出，对于套筒自立式烟囱的钢内筒，在工况一时，考虑恒载、风载和正常温升荷载作用，整体应力不大，最大Mises值出现在钢内筒与第三层止晃装置处（225m高程），为62.2MPa。工况二为风荷载工况，受风荷载作用的钢内筒上部以及与拉紧装置连接的局部，出现较大的Mises应力，在与第三层拉紧装置连接处（225m高程）出现最大应力54.5MPa。工况三为地震作用工况，整体应力较大，钢内筒与各层拉紧装置处出现较大Mises应力值，最大Mises应力出现在第二层拉紧装置处（高程140m），最大值为37.3MPa。工况四考虑恒载、风载、温度荷载以及地震荷载，最大Mises应力值为40.5MPa。

工况一 工况二 工况三 工况四

图2 各工况下Mises应力云图

考虑荷载组合时，对四种典型工况下钢内筒的位移进行分析。比较四种荷载组合时内筒的位移，恒载和温度荷载产生较大的竖向位移，钢内筒的最大竖向值为85.9mm，出现在钢内筒顶部；风荷载和地震荷载产生较大的水平位移，最大水平位移值为342.8mm，也是出现在钢内筒顶部。

通过对荷载组合工况下套筒自立式烟囱钢内筒的应力和位移进行分析，考虑恒载的工况一有整体较大的Mises应力、竖向位移和水平位移。工况二和工况三分别对应风荷载工况和地震荷载工况，有局部较大的Mises应力和较大的水平位移。

对于烟囱的钢内筒，荷载组合工况下，考虑自重的工况四有整体较大的Mises应力、竖向位移和水平位移。工况二、三分别对应风荷载工况和地震荷载工况，有局部较大的Mises应力和较大的水平位移。工况一以温度荷载为主，考虑了自重和风荷载，整体应力、位移也比较大。荷载组合工况下，钢内筒的Mises应力都没有超过钢材设计强度，钢内筒强度满足计算要求。

参考文献

[1]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）；

[2]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）；

[3]《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）；

[4]《烟囱设计规范》（GB50051-2013）；

[5]石亦平，周玉蓉 ，ABAQUS有限元分析实例详解[M]，机械工业出版社2012版