单筒式钢筋混凝土烟囱有限元计算方法分析.pdf

城市建筑I 学者论坛IU R B A N I S MA N DA R C H I T E C T U R ES C H O L A R S F O R U M 单筒式钢筋混凝毒烟囱有限元计算方法分析 T h e A n a l y s i so fS i n g l eT u b eR e i o f o r c e dC o n c r e t eC h i m n e y F i n i t eE l e m e n tM e t h o d 董金锋1 李军营2 疆D o n gJ i n f e n 9 1 L iJ u n y i n 9 2 【摘要j 本文通过对某焚烧厂单筒式钢筋混凝土烟囱使用 大型有限元分析程序A N S Y S I O 0 建立模型分析其振型特点， 对有限元方法分析烟囱的自振频率、振型的特点、结构位 移分布等参数的计算方法做出总结。 涨键词】单筒式钢筋混凝土烟囱计算方法有限元 【A b s t r a c t 】T 1 1 i sp a p e rb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a mA N S Y S l 00 o fa ni n c i n e r a t i o np l a n ts i n g l et u b er e i n f o r - c e dc o n c r e t ec h i m n e ym o d e li se s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h ev i b - r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o c e s s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n a l y s i so fc h i m n e yv i b r a t i o nf r e q u e n c y , v i b r a t i o nc h a r a c t e r - i s t i c s ，d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o np a r a m e t e rc a l c u l a t i o nm e t h o d s u m m a r y I K e y w o r d s js i n g l et u b er e i n f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e y , c f l c d a t i o nm e t h o d , f i h i t ee l e m e n t 引言 目前，中国单筒式钢筋混凝土烟囱最高的为2 1 0 m 。多筒式钢筋混凝土烟囱，最高的是秦岭电厂，2 1 2 m 高，四筒式烟囱。现在，世界上已建成的高度超 过3 0 0m 的烟囱多达数十座，例如高达3 6 8m 的米 切尔电站的单筒式钢筋混凝土烟囱。如何保证烟囱 的安全使用，成为一个重要课题。 本文基于对某焚烧厂钢筋混凝土烟囱进行有限 元方法分析，研究用有限元分析高耸结构的一些方 法。为保证该烟囱的安全性方面的问题，委托我单 位对其进行检测。为检测其是否满足安全性要求， 满足实际工程需要，特钻芯取样，以分析其材料强 度，并观测其倾斜度。 经钻芯取样检测和分析，证实该烟囱混凝土强 度基本达标。经测量观测，结构未出现倾斜，未见 明显裂缝，基础和主体结构完好。现根据观测数据， 采用计算机建立结构有限元模型，对其动力特性分 析，检验其抗震性能。 一、工程概况 该烟囱所在地为I I 类场地，设计基本地震加速 度值为0 2 9 ，设防烈度为8 度，设计地震分组为第 一组。特征周期t = 0 3 5s ，地震影响系数 口m 瓤= O 1 6 ，阻尼比= O 0 5 。 该单筒烟囱筒壁为钢筋混凝土结构。烟囱上部 外筒部分结构的混凝土及基础混凝土均采用C 3 0 。 内衬采用粘土质耐火砖，并设有8 0m i l l 厚岩棉板隔 热层。 烟囱总高度1 5 6 3m ，顶部直径3 0 i l l ，底部直 径1 4 3 5 m ；出灰口尺寸：2 0 0 1 5 0 I l l ；检修洞口 尺寸：3 o o 3 6 0 m 。 二、结构有限元模型的建立 1 反应谱方法计算理论 谱是谱值和频率的关系曲线，反映的是时间 历程载荷的强度和频率之间的关系。谱分析是一种 将模态分析结果和已知谱联系起来的计算结构响应 的分析方法，主要用于确定结构对随机载荷或随时 间变化载荷的动力响应。反应谱是通过单自由度弹 性体系的地震反应计算得到的。日前，我国的抗震 设计都采用加速度反应谱，即取加速度反应绝对最 大值计算惯性力，作为等效地震荷载。 但是这一方法也有缺陷，需要注意的是，振型 分析反应谱法只适用于线弹性体系。即对于需要考 虑弹塑性性质的结构，这种方法是不适用的。 谱分析的基本步骤：( 1 ) 建立模型；( 2 ) 求得 模态解；( 3 ) 求得谱解；( 4 ) 扩展模态；( 5 ) 观察 结果。 2 结构形式分析 钢筋混凝土套筒式烟囱的特点是，该结构形式 将钢筋混凝土承重外筒与排烟筒功能分开。从套筒 的材质上可分为两类，砖套筒和钢套筒烟囱。 砖套筒烟囱的特点是：砖套筒烟囱为分段支撑 结构，由筒壁内侧挑出的牛腿支撑内衬和隔热层的 重量。其地震效应类似于楼层之上放置一个设备。 内衬采用的是耐酸胶泥砌筑耐火砖，并在外表面作 耐酸水泥封闭层以及保温层。保温层由岩棉或超细 玻璃丝棉毡组成，对于减少温度应力影响有重要作 用。砖排烟筒中的砖体本身具有较好的耐腐蚀性和 经济性，但对于砌筑以后形成的砌体结构，其抗渗密 闭性和整体性较差、自重大。该结构即隔热层及防 腐内衬组成的排烟筒。其排烟筒紧贴在钢筋混凝土 承重外筒上，并支撑在外筒壁环向牛腿上。 钢套筒烟囱的特点：钢套筒烟囱为自承重结构。 和砖套筒烟囱不同的是，它设置了一定数量的由承 重的外筒和排烟内筒组成的侧向支撑和检修平台 ( 吊装平台) ，使得钢套筒烟囱具有检修和维护空间。 对于后期使用过稗中的维护和补强，提高了效率， 且较为安全可靠。而且在正常运行条件下，钢筋混凝 土的外筒身承重结构不必直接与烟气接触，这就使 得外筒基本处于常温条件下工作，有效降低温度应 力的影响，避免了温度应力造成裂缝的产生和腐蚀， 对于增加烟囱寿命，保证工厂的安全运行有重大意 义。 3 模型的建立 有限元分析方法能准确计算结构自振周期、结 构内力和结构侧移。 在该烟囱的A N S Y S 分析中，采用简化模型。考 虑到耐火砖砌筑在钢筋混凝土结构的牛腿上，该牛 腿由筒壁内侧挑出，因此该重量由下一节来承受。 对于下部的出灰口和检修口，则扣除洞口部位的重 量。每节根部自重，包括其上面所有分节的自重加 上附加重量。由于牛腿和耐火砖二者的连接一般被 视为柔性连接，如果严格建立真实模型，会导致计 算结果过于复杂，无法得到理想结果。故而对模型 进行简化。本文取钢筋混凝土与耐火砖刚度的平均 2 8 9 值，即采用平均刚度的方法建立近似模型。在分析 中全面考虑了各部分的影响，又能得到理想的计算 结果。建模时采用s o l l d 4 5 单元模拟。这样建出的 模型整体刚度不变，结构的自振频率，基底剪力等 和实际情况较为接近。 s o il d 4 5 单元一般用于构造三维固体结构。该 单元通过8 个节点来定义，每个节点有3 个沿着x 、 Y 、z 方向平移的自由度。该单元具有塑性、蠕变、 膨胀、应力强大、大变形和大应变能力的特点。 有限元法的基本思想是：把复杂的形体拆分为 若干个形状简单的单元，再利用单元节点变量对单 元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析，即 使连续体离散化，又称网格划分。用离散而成的有 限元集合替代原来的弹性连续体，所有的计算分析 都将在这个模型上进行。A N S Y S 网格划分功能十分 强大，它具有智能网格划分和人工控制网格划分、 映射、扫掠、拖拉网格划分等功能，同时还具有强 大的网格检查及修改功能。对实体单元进行有效、 合理地选择划分网格，是获得高精度结果的保证。 因此，对于限元分析的规模、速度和精度以及计算 的成败来说，实体单元的选择和网格的划分十分重 要。 三、振型分解反应谱法分析结果 1 自振频率及振型分析 根据建筑抗震设计规范，经过反复试算后，观 察结构前1 0 阶振型。反应谱分析是建立在振型分解 反应谱理论基础上的计算方法。振型分解理论，是 将结构的地震作用响应分解为各振型分量的叠加， 即对应每个振型都有一个地震作用，然后通过一定 的组合方法( S R S S ，C Q C ，A B S 等，本文采用的是 S R S S ) ，将各振型结构的地震响应予以叠加，得到最 终总的结构地震响应值。 根据对这l O 个振型的观察，规律大致为每3 个 振型为一组，并且符合前两个周期平动，第三个周 期扭动的规律，即“平平扭”的规律。 可知，用s o i l d 4 5 单元建立的结构模型，能够 较真实的反映结构的性能。 2 内力及位移分析 根据实地考察取得的地质报告，在计算中输入 地震波，进行谱分析计算。 根据谱分析计算结果，提取出结构最大位移值 以及剪力值，观察其出现的节点位置，进行分析。 ( 1 ) 在地震作用时，最大位移点位于烟囱顶部。 在实际工程中，可将烟囱顶部截面适当增大或者加 厚筒壁，增加此处刚度，以保证在地震下不会被破 坏。烟囱属于高耸结构，极易在地震影响下发生鞭 梢效应。根据经验分析，越是细高的建筑，鞭梢 效应越大，建筑认定自振周期越长，破坏越严 重。因此，通过适当调整结构的刚度或质量分布使 突出物的频率与整体结构的频率的差值。 ( 下转第2 9 0 页) 万方数据 综合管沟结构设计 I n t e g r a t e dP i p e l i n eS t r u c t u r e 如D e s i g n 梁一鸣鞠L i a n g Y i m i n g 【摘要 综合管沟可以解决地下管线维修、扩容而造成的道 路重复开挖，避免对街道景观进行破坏。考虑到综合管沟 周边的施工条件，在与甲方、施上单位等研讨后，确定采 用暗挖法进行施工。 【关键词 综合管沟理正软件暗挖法M I D A S 【A b s t r a c t JC o m p r e h e n s i v ep i p et r e n c hC a l ls o l v eu n d e r g r o u n d p i p e l i n em a i n t e n a n c e ，w a yr e p e a t e de x c a v a t i o nf o rf l a s ht oa v o i ds t r e e tl a n d s c a p ed e s t r u c t i o n C o n s i d e r i n gt h e8c o m p r e h - e n s i v ep i p et r e n c hs u r r o u n d i n gt h ec o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s ，w e a f t e rd i s c u s s i o nw i t hp a r t ya ，t h ec o n s t r u c t i o nu n i ta n dS Oo n ， d e t e r m i n et h et y p eo f c o n s t r u c t i o nm e t h o d 【K e y w o r d s 】c o m p r e h e n s i v ep i p et r e n c h ，t h er e a s o ni ss o f t w a r e t y p em e t h o do f M I D A S 引言 近年来，随着城镇化进程的加快和城市建设的 快速发展，城市地下管线的重要性及由条块分隔的 管理体制引起的诸多矛盾日益凸显。综合管沟的建 设可使道路在5 0 年内不会因地下管线维修、扩容而 造成的道路重复开挖，避免“马路拉链”对街道景 观的破坏。 一、工程概况 本工程位于兰州市安宁区，总长5 0k m 左右。 综合管沟衬砌采用复合式衬砌，二衬采用箱形现浇 的钢筋混凝土结构。根据地质报告，综合管沟的基 础持力层为卵石层，地下水埋深4 8 4 9m ，地下 水对工程有中等腐蚀影响，工程场区地层稳定，无 不良地质现象存在，属对建筑抗震有利地段。抗震 设防烈度8 度，设计基本地震加速度值为0 2 0g ， 设计地震分组为第二组，场地类别I I 类，场地特征 周期0 4 5S ，场地内最大冻土深度1 0 3m 。 二、结构设计要点 1 荷载取值 ( 1 ) 深隧道与浅隧道的判定 y = 1 7 K N M 3 ，S = 4 ，B t = 48 ( 考虑到超挖取5 0 m ) ，i = 0 2 h = 0 4 5 x 2 ”1 w , w = 1 + i ( B t 一5 、= 1 h = 04 5 x 8 x 1 = 36 h q = q ，= 砷y = h = 3 6 印= ( 2 25 ) h q = ( 2 2 5 ) x 3 6 = ( 7 2 9 ) 本隧道埋深4 5 h p ，因此本隧道为浅埋。 ( 2 ) 隧道围岩压力计算 弘= 3 0 0 ，Q = ( 0 7 09 ) 卵= 08 x 3 0 0 = 2 4 0 t a n p c = t a n 3 0 0 = 0 5 7 7 t a n 0 = t a n 2 4 0 = 0 4 4 5 t a na = t a n p c + J ”2 “歹n 俨_ I a n 日_ 29 9 2 , _ t a n f l - t a n 乡幺卢+ t 。卢( t 。弘一t 。日) + t 。怛。t 。日 垂N _ J N , ) V J q = 舸0 2 t a n f ) = 6 15 2 2 截面设计 1 ) 拱架采用1 1 8 工字钢，工字钢拱架间距为 5 0 0 m m 。钢筋网采用由8 ，初支厚度为2 0 0 m m ，采用 C 2 5 喷混凝土。 2 ) 超前注浆小导管：击4 2m m 热扎无缝钢管，壁 厚3 5 m m ，L = 3 0 m ，环向间距3 0 0 m i l l ，纵向间距15 0 0 m m ，外插角l O 。左右，范围沿环向1 2 0 。布设，注水 泥一水玻璃双液浆。 3 ) 锁角锚管：采用巾- 4 2 无缝钢管，长度3 m ， 并全长注浆，浆液采用水泥一水玻璃双液浆。 4 ) 砂浆锚杆：由2 2 螺纹钢筋，长度3 m ，环向 间距12 0 0m m ，沿每榀拱架布设。 0 4 8 9 5 ) 钢筋网：全断面设单层巾8 中8 钢筋网 根据设备专业提供的图纸以及以往的设计经 验，先假定综合管沟的截面尺寸如图l 。 莎二孓 1 K 一 l q - - - _ ”一 一1 珊 士 锄 - “ 。【 I I 图1 管沟的截面尺U 图 将截面尺寸与计算参数导入“理正软件隧道衬 砌设计模块”进行复核。经复核，截面尺寸满足规 范规定的要求，故可以将此结截面尺寸定为标准断 面图。 3 暗挖法 由于综合管沟开挖较深，且管沟上方的树木、 高压线干、给水管道等无法迁移，使得综合管沟无 法采取大开挖进行施工，故采用暗挖法进行施工。 ( 1 ) 结构形式：综合管沟采用直墙拱( 城门洞) 断面，复合式衬砌。复合式衬砌的外衬为初期支护， 可由超前支护、网喷支护与钢拱架等支护型式组成， 内衬采用钢筋混凝土模筑衬砌。 ( 2 ) 结构支护参数：综合管沟采用钢筋网、喷 混凝土、工字钢拱架及超前支护联合作为初期支护， 具体如下： 网格间距1 5 0 1 5 01 1 1 1 1 1 。 6 ) 二次衬砌：采用C 3 0 防水钢筋混凝土，厚 3 5 0l l l l l l ，混凝土的抗渗等级P 6 。 ( 3 ) 计算：根据以往的设计经验，初衬的截面 尺寸及支护参数如图2 。 图2 截面尺寸及支护参数图 将截面尺寸及支护参数导入M I D A S 隧道设计软 件。经计算复核，截面尺寸