浅谈塔架式钢烟囱设计
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摘要：本文主要介绍塔架式钢烟囱计算所受的荷载、材料与结构形式的选择，以及同其它形式的烟囱相比具有的优势。
关键词：塔架式；钢烟囱；经济性好；施工周期短
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
工业建筑中烟囱非常常见，以前高大的烟囱一般采用混凝土烟囱，但超高混凝土的施工难度大、质量不好保证、施工周期长等弊端，随着钢材生产能力和高空吊装能力的提高，钢烟囱应用越来越广泛。笔者在多年的工程实践中不断总结，浅谈塔架式钢烟囱设计，抛砖引玉，希望能为钢烟囱的工程应用有所帮助。
钢烟囱包括自力式、拉索式和塔架式三种形式。自立式钢烟囱以受弯为主，不能充分发挥结构材料的性能，主要用于低矮的烟囱。拉索式钢烟囱靠钢筒体的受弯和拉锁的受拉组合受力，能较好的发挥材料的性能，可用于细高的钢烟囱，但在工程应用中拉锁的布置往往受到诸多限制，应用也不是很广泛。塔架式钢烟囱一般靠钢筒体承受竖向力自重，塔架承受水平荷载，而塔架整体上是竖向桁架，材料性能得到充分发挥，经济适用，应有广泛。关于结构的经济性分析可参见笔者《科技致富向导》2011年7月刊《浅谈钢结构类型与工程造价》一文。本文主要阐述塔架式钢烟囱设计。
一、塔架式钢烟囱的荷载
1. 结构及设备自重。结构及设备自重按荷载规范的有关规定进行计算。计算塔架自重时，应考虑节点板、法兰盘及焊缝的重量，一般可按塔架构件的自重乘以1.15～1.20的系数。
2. 活荷载。塔架上的就修平台、休息平台以及航空障碍灯维护等平台上的荷载都属活荷载。检修平台活荷载可根据实际情况确定，但不得小于3KN/m2，顶层平台应考虑积灰荷载，休息平台单个杆件集中荷载不小于1KN，均布荷载可取2 KN/m2。
3. 风荷载。风荷载对塔架结构起着决定性作用。由风荷载引起的结构内力约占总内力的80%～90%。因此，在塔架钢烟囱设计中，尽量减少风阻力，是一个很重要的考虑问题。
各种截面型钢的体系系数取值为μs=1.3，对于圆形截面杆件，其体型系数取决于雷诺数，一般情况下，当圆形截面杆件的直径较小时μs=1.2，直径较大且H/d≥25时，μs=0.6。因此，圆形截面杆件对风的阻力最小。
为了简化计算，在风荷载计算中，所有连接板的挡风面积不予单独计算，仅将杆件总面积予以适当增大。对于圆钢结构和钢管结构，增大系数可采用1.1，对于圆钢组合结构和型钢结构可采用1.15～1.2。
对于高耸结构除应进行顺风向荷载计算外，还应进行横风向振动验算。
4. 裹冰荷载。在空气湿度较大的地区，当气温急剧下降时，结构物的表面会有结冰现象，即成为裹冰。结冰主要取决于建筑物所在地区的气象条件，即空气湿度的大小和气温的高低。寒冷的地区不一定就是裹冰最厚的地方，较温暖的地方也不一定就是裹冰较薄的地方。在同一地区离地面越高，裹冰越厚。一般来讲，裹冰是在无风或弱风时发生的。但在计算时，应与中等强度的风同时考虑，组合系数取ψcw=0.6。裹冰时的温度按-5℃计算。
5. 温度荷载。塔架平台与排烟筒之间的连接，一般都采用滑道连接，纵向可自由变形。滑道应留有足够的横向膨胀间隙，以保证横向自由变形。塔架结构的温度应力和温度变形一般可以不予考虑。
6．地震荷载。在抗震设防区则应考虑地震荷载。
二、材料与结构形式的选择
1. 材料的选择。钢烟囱塔架和筒壁主要采用低碳钢。低合金高强度钢结构用于受强度控制的杆件是经济的，当结构物或结构杆件受稳定、变形或长细比控制时，采用低合金高强度钢则不经济。
在较大的塔架结构中，采用低合金高强度结构钢比Q235可节约钢材20%～30%。另外，低合金高强度结构钢的抗腐蚀性能较Q235好，用于露天结构，可以延长结构使用年限，减少维护费用。
2. 塔架结构形式的选择。钢塔架可根据排烟筒的数量，水平截面设计成三角形、四边形、六边形、八边形等。从立面形式来说，有等坡度锥形塔架，有变坡度的抛物线形或折线形塔架。
（1）塔架的平截面形式。塔架的平截面形式，对于经济效果和造型美观都有关系。塔架的边数越多，它所耗用的钢材也越多，耗钢量最少的是三角形塔架。主要原因如下：
1）塔架所受荷载，主要是风荷载。在风荷载作用下，塔架受力与悬臂梁相似。所以，在多边形塔架中，离开塔身平截面形心越近的塔柱，越不能发挥材料的作用。
2）虽然杆件数量增多，可以减少杆件的截面尺寸，但杆件数量的增加，要增加一些连接材料和挡风面积。因而塔架的边数越多，其荷载越大。
3）塔架的边数越多，用于维护平面几何稳定的横膈材料也越多，三角形塔架不需要横膈材料。
4）塔架的边数越多，连接节点越多，用于节点板的材料也越多。
从结构安全角度上讲，边数较多的塔架比边数较少的塔架具有更大的安全度。
（2）塔架的立面形式及腹杆体系。钢塔架沿高度可采用单坡度或多坡度形式。塔架底部宽度与高度之比，不宜小于1/8，常取底盘宽度为整个塔高的1/4～1/8.。塔架底部宽度对塔架本身的钢材量影响并不显著，但它对塔架在风荷载作用下的水平位移、塔架的自振周期、塔架基础受力的影响较大。同时，塔架立面形式、腹杆体系以及各部分的构造形式都对上述结果有直接影响。
(3) 塔架变截面处的连接形式。这里的截面变化处，是指截面突变的地方，而不是塔柱坡度改变的地方。塔架平截面突变有三种形式，第一种是平面的大小突然变化，第二种是平截面的几何形状突然变化，第三种是平截面的大小和形状同时发生突然变化。不论属于哪种截面变化，其连接形式可分为插入式和承接式两种。
三、工程设计应用实例
在印度电钢综合有限公司[EIL]年产220万吨钢项目2x1050m3高炉工程中渣处理烟囱笔者就采用了塔架式钢烟囱，当时因是涉外工程且施工周期短，业主要求经济耐用，所以笔者在比较计算后，运用了塔架式钢烟囱进行了设计，其施工速度快，造价低，获得了业主的一致好评。在国内的江苏徐州东南钢铁工业有限公司年产100万吨钢工程高炉工程，山东石横特钢集团有限公司1#高炉易地大修工程，河北钢铁集团舞阳冶金有限公司1260m3高炉总承包工程，邢台钢铁有限责任公司高炉技术改造1#1050m3高炉工程，山西通才工贸有限公司淘汰落后设备技术改造工程高炉项目，山钢集团新疆喀什钢铁业结构调整产业升级项目炼铁工程等众多工程中，施工工期都很短，采用混凝土烟囱无法完成，笔者通过反复的结构选型和经济分析，最后均采用塔架式钢烟囱的设计，其美观性，经济性，施工周期快获得了所有业主的一致肯定，顺利满足工程建设的要求。
四、结束语
本文通过文献研究和分析计算，通过方案选型及受力分析、计算等方面的探讨，结合实际的工程成功应用，认为钢塔架烟囱有以下特点：结构受力明确简洁、经济可靠、施工速度快、质量容易保证。
参考文献：
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