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盐城风情
关于自立式钢烟囱设计要点 2019-8-21

    自立式钢烟囱 :根据实际工程, 30 m 高等截面钢烟囱为例, 阐述自立式钢烟囱的设计方法, 特点以及设计中应注意的问题。

    工程概况某轻钢结构车间 ,根据设备及总图的要求 ,需设立钢烟囱一座。因用地范围有限 ,故首选自立式钢烟囱 。高 30 m , 直径 2.0m , 采用等截面设计。因其H/d =15 <20 ,符合自立钢烟囱的应用范围 ,且经济安全 ,故选用自立式 。

2 设计基本资料1)基本风压 w 0 =0.55 kN/m 2 , 地面粗糙度 B类。抗震设防烈度 7 度, 基本设计地震加速度为0.15 g , 地震设计分组为第一组 ,场地类别 Ⅱ类 。2)烟气平均温度 100 ℃,不设隔热层 。

3)钢烟囱的材料可选用 Q235、Q345、Q390、Q420, 对处于潮湿地区和排放具有腐蚀性烟气的筒壁宜采用 Q235NH 、Q295NH 或 Q335NH 可焊低合金耐候钢。本工程中烟囱所排烟气无腐蚀性 , 钢材采用 Q235-B。

4)安全等级为二级, 重要性系数 r 0 =1.0 。5)内径口为 2 000 mm ,壁厚15 m 以下壁厚 t =12 mm ,15 m 以上壁厚 t =10 mm ,满足GB 50051 -2002《烟囱设计规范》9.3.3 条要求。

  5荷载与作用自立式钢烟囱的荷载与作用主要有以下三种 :1)永久性荷载与作用 :结构自重,土重,土压力 。本工 程中烟囱基 础顶面标 高为高出 自然地面200 mm ,永久性荷载仅考虑结构自重。2)可变荷载与作用 :风荷载 ,烟气温度作用 ,雪荷载,安装检修荷载,平台活荷载 ,裹冰荷载,大气温度作用, 常遇地震作用等 。本工程中可变荷载仅考虑风荷载,安装检修荷载,平台活荷载 。3)偶然荷载 :罕遇地震作用, 撞击, 爆炸等。本工程中钢烟囱高度 25 m ,不考虑撞击 ,爆炸;地震作用不起控制作用。

6 设计步骤1)自振周期的计算 :根据自立式烟囱的不同形式选择周期计算公式。本项目采用 GB 50051 -2002《烟囱设计规范》同时结合 STS 建模所得数据及实际工程经验取 T =0.44 s >0.25 s。2)进行风荷载 ,地震荷载,自重作用下控制截面(底部)的最不利的内力组合计算 ,确定最不利荷载。本工程中地震作用不起控制作用 , 由风荷载控制。高度 30 m 处风压高度变化系数 :μ H =1.42 。烟囱临界风速 :ν cr =DT 1 S t=2.0200.44×0.2=22.8 m/s536DOI :10.13204/j.gyjz2010.s1.239 结构顶部风速:ν H =2000γ w μ H w 0ρ=2000×1.4×1.42 ×0.551.25=418 m/ sν cr <ν H , 但 R e =69 000ν cr D =3.15 ×106<3.5×106, 根据《高耸结构设计规范》和《建筑结构荷载规范》 ,需要考虑风荷载的顺风向风振, 而不考虑横风向风振效应(如表 1)。表 1 风荷载计算值计算标高/m风荷载标准值q k =Dw k /(kN ·m-1 )10.00 1.2720.00 2.0430.00 3.00  3)结构验算 :在最不利荷载作用下进行强度、稳定及变形的验算 。风荷载作用下弯矩(标准值):M =1 120 kN ·m风荷载作用下剪力(标准值):V =63 kN自重产生轴力(标准值):N =149 +51 =200 kN强度验算(1.2 永久荷载 +1.4 风荷载):σ= NiA ni+ MiW niσ=53 MPa<215 MPa ,满足要求 。稳定验算(1.2 永久荷载 +1.4 风荷载):N iφA bi+M iW bi (1-0.8N i /N Ex )=56 MPa<215 MPa局部稳定:σ<σ crt =0.4E tk·td i=272 MPa得出 σ<σ crt , 局部稳定满足 。侧移验算(1.0 永久荷载 +1.0 风荷载):由STS 计算侧移 , 烟囱顶部侧移 18.8 mm , 满足要求。4)烟囱与基础之间通常采用地脚锚栓连接 , 所以尚应进行地脚锚栓的布置和计算 。选用 24 个M42(Q235-B)锚栓以圆周 d 0 =2.15 m 等距排列 ,则单个锚栓最大拉力 :P max = 4Mnd 0- Nn=106 kN <156.9 kN满足设计要求。

7 自立式钢烟囱设计要点1)钢烟囱壁厚的确定应严格按照 GB 50051 -2002《烟囱设计规范》9.3.3 进行 。当烟囱高度小于20 m , t =4.5+c,当烟囱厚度大于 20 m , t =6 +c(c为腐蚀厚度裕度),有隔热层时取 c=2 mm ,无隔热层时取 c=3 mm 。钢烟囱对防腐比较严格 ,当排放弱腐蚀性烟气时, 内外均应刷防护油漆,筒壁可用普遍钢板 ;当排放中强腐蚀性烟气时,钢烟囱内表面改用厚 1~ 3 mm 的防腐厚涂料, 且宜采用耐硫酸露点腐蚀钢板。钢结构采用的焊条, 螺栓 ,节点板等构件连接材料的耐腐蚀性能不应低于主体材料的耐腐蚀性能。2)由于本项目烟气温度相对较低, 并没有设置隔热层 。对于内设浇筑隔热料的自立式轻型钢烟囱来说风荷载与烟气温度作用都是重要荷载 。在钢烟囱中对于温度作用的考虑通常是采取折减钢材强度和弹性模量的方法 。烟囱筒壁温度的计算方法有平壁法和环壁法两种。当烟囱筒壁外半径 r 2 与内半径 r 1 的比值小于 1.1 时, 可采用平壁法 ;否则应采用环壁法以提高计算精度。3)计算风荷载时, 应根据GB 5009-2001《建筑结构荷载规范》7.4 的规定验算顺风向风振。当雷诺数小于 3×10 5 且结构顶部风速超过临界风速 ,此时可以在构造上采取防振措施 , 或控制临界风速。当根据判断烟囱可能出现跨临界强风共振时 ,应按第 7.6.2 条考虑横风振效应 。4)为避免钢烟囱出现共振现象, 在钢烟囱上部设置破风圈是非常有效的办法。破风圈能够破坏漩涡脱落的规律性 ,可以避免发生共振 。也可以采用变截面圆台形自立式烟囱。

8)钢烟囱通常有烟管接口或者检修孔 ,对于局部开洞削弱处还应进行补强计算 。

9)烟囱与基础之间通常采用地脚锚栓连接, 除应进行地脚锚栓计算外 , 还应注意烟囱地板及加劲板等的布置和计算 。参考文献[ 1] GB 50051-2002 烟囱结构设计规范[ S] .[ 2] GB 50009-2001 建筑结构荷载规范[ S] .[ 3] GB 50135-2006 高耸结构设计规范[ S] .[ 4] GB 50017-2003 钢结构设计规范[ S] .[ 5]

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