鐘啟雄

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鋼筋混凝土煙囪筒壁計算若干問題的辨析

鐘啟雄

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司，福建 福州 350001）

2013-05國家發(fā)布了最新版煙囪設計規(guī)范 GB 50051—2013（以下簡稱“2013年版規(guī)范”），同煙囪設計規(guī)范 GB 50051—2002（以下簡稱“2002年版規(guī)范”）相比較，做了大量的補充、修訂和完善。但是，瑾瑜匿瑕，在個別條文中仍有一些值得商榷之處，給人以美中不足之感。針對這些值得商榷之處，發(fā)表管窺蠡測之見，供規(guī)范管理組參考，期冀能收到裨補闕漏之效。

煙囪筒壁；承載能力；壓彎構件；彎矩

1 筒壁水平截面承載能力可靠性的判別式

2002年版規(guī)范的第7.3.1條，給出了筒壁水平截面極限承載能力可靠性的兩個判別式：

式（1）（2）中：和為計算截面上的荷載效應（內(nèi)力）設計值，為軸向力，為彎矩；a為計算截面上的附加彎矩，該附加彎矩是由于風荷載、日照、地基不均勻變形等非荷載因素使煙囪發(fā)生側(cè)移后，由軸向力對計算截面產(chǎn)生的二階彎矩；和分別為計算截面承載能力（即抗力）設計值，按規(guī)范中相應的公式計算。

但是，在2013年版規(guī)范中，卻摒棄了判別式≤，只保留了判別式+a≤這就是說，在計算煙囪筒壁水平截面極限承載能力（抗力）時，只計算抗彎的極限承載能力（抗力）而不計算抗壓的極限承載能力（抗力）這一規(guī)定顯然是很值得商榷的。在建筑結(jié)構設計專業(yè)基礎標準[1][2]中，給出了按承載能力極限狀態(tài)設計時，結(jié)構或構件承載能力可靠性判別式的通式：

在1983年、2002年和2013年煙囪設計規(guī)范中也都有相類似的可靠性判別式。

因為公式（3）是結(jié)構或結(jié)構構件可靠性判別式的通式，工程設計時必須根據(jù)荷載效應（內(nèi)力）設計值的數(shù)量以及它們之間的關系來確定可靠性判別式的數(shù)量。以受彎構件為例，按現(xiàn)行國家標準混凝土結(jié)構設計規(guī)范GB50010的規(guī)定，通常有以下4個承載能力可靠性判別式：①正截面受彎承載力判別式；②斜截面受彎承載力判別式；③斜截面受剪承載力判別式；④受扭承載力判別式。但是當受彎構件寬度較大、高度較小時，或滿足規(guī)定的構造要求時，或扭矩、剪力較小甚至無扭矩無剪力作用時，諸如樓板或純受彎構件，只需正截面受彎承載力可靠性判別式即可，其他三個承載力的可靠性無須判別。

2 煙道開孔對筒壁截面承載能力的影響

在2013年版規(guī)范中，對鋼筋混凝土煙囪筒壁水平截面承載能力的計算規(guī)定得較為細致。在計算荷載效應時，除考慮煙囪筒身的自重、風荷載和地震作用（水平方向與豎直方向）外，還特別考慮了由風荷載、日照、地基變形等使煙囪發(fā)生側(cè)移后，軸向力對計算截面產(chǎn)生的二階彎矩。但百密一疏，在荷載的完整性方面就有些問題值得商榷。例如，規(guī)范中就沒有考慮由于煙道開孔使截面形心偏離煙囪軸心后，煙囪自重產(chǎn)生的初始彎矩in.

當煙道開孔較小，或兩孔對稱布置時，或場地基本風壓0較大時，初始彎矩in的影響較小，可忽略不計。但是，若煙道開孔較大，或兩孔非對稱布置，或兩孔中線夾角較小時，忽略初始彎矩in的做法就很值得商榷。下面就文獻[3]中，選取幾個工程實例進行討論。

注：引用自工程結(jié)構可靠性設計統(tǒng)一標準

2.1 推導單孔環(huán)形截面形心偏心距的計算公式

推導單孔環(huán)形截面圖形如圖2所示。在有開孔的環(huán)形截面中，取一圓心角為的微扇形，該微扇形與軸的夾角為，外微扇形面積1和內(nèi)微扇形的面積2分別為：

微扇形中的筒壁面積為:

外微扇形面積的形心和內(nèi)微扇形面積的形心到軸的距離（在軸上的坐標）1和2分別為：

微扇形中的筒壁面積對軸的靜力矩為：

注：引用自國家建筑標準設計圖集

筒壁截面積形心的偏心距0為：

（10）

式（10）中的負號僅表示筒壁凈面積形心位于軸的下方，計算初始彎矩in時可以不考慮。

2.2 計算由于筒壁開孔而產(chǎn)生的初始彎矩Min

在文獻[3]中有七種型號的煙囪是設置一個煙道入口的，與之相對應的筒壁型號為TB60-1.4、TB60-1.7、TB60-2.0、TB60-2.5、TB80-1.7、TB80-2.0、TB80-2.5。如果計算截面取煙囪底部，并取文獻[3]中的原始數(shù)據(jù)，即可計算出各煙囪的初始彎矩in.計算過程及計算結(jié)果如表1所示。將初始彎矩in同基本風壓為0.35 kN/m2時的基礎頂面（+a）相比較，可知兩者的比值約為24%～31%.

表1 筒壁初始彎矩的計算（工程結(jié)構可靠性設計統(tǒng)一標準）

筒壁型號筒壁底部半徑洞寬D孔洞半角θ/rad筒壁截面初始偏心距e0/m筒身重力荷載N筒壁初始彎矩Mi n基礎頂面彎矩M+Ma 外徑R1內(nèi)徑R2β TB60-1.4-0.35-12.312.050.8871.070.120π0.290 66 4861 8857 80724% TB60-1.7-0.35-12.462.200.8941.900.126π0.327 57 1192 3318 91426% TB60-2.0-0.35-12.612.350.9002.100.132π0.366 77 7532 84310 08928% TB60-2.5-0.35-12.862.600.9092.400.138π0.423 88 8083 73312 25630% TB80-1.7-0.35-13.012.710.9001.900.102π0.319 611 3073 61415 59431% TB80-2.0-0.35-13.162.860.9052.100.108π0.357 812 1934 36317 40326% TB80-2.5-0.35-13.413.110.9122.400.114π0.410 813 6695 61520 37028%

注：表1中，筒身重力荷載和基礎頂面彎矩+a取自文獻[3]

2013年版規(guī)范第7.5.3條規(guī)定，孔洞對應的圓心角不應超過70°，如果取孔洞半角max=35°= 0.194π，表1中各煙囪的初始彎矩in將等于基礎頂面（+a）的40%～50%.

在文獻[3]中有八種型號的煙囪是設置兩個煙道入口的。因兩孔寬度相等且對稱布置，因此無初始彎矩in.但在2013年版規(guī)范中，并不要求兩孔寬度必須相等，也不要求必須對稱布置（第7.5.3條只要求兩孔宜對稱布置，而非應對稱布置），同時在第7.3.1條又補充給出了兩孔中線夾角0≠π時，筒壁的極限承載能力（抗力）的計算公式（7.3.1-8）和（7.3.1-9）。這時就應當考慮初始彎矩in的影響。

當兩孔中線夾角0≠π時，抗力的因素較多，筒壁截面形心的方位、偏心距以及承載能力的計算公式也較復雜，本文不擬全面討論。下面只討論兩孔中線夾角很小的情況。2013年版規(guī)范第7.3.1條第2款第3項規(guī)定，兩孔中線夾角0≤（π－1－2）+1+2時，可按=1+2的單孔洞截面計算。文獻[3]中設置的兩個煙道入口的八座煙囪，按單孔洞截面計算時的截面形心偏心距0和初始彎矩in的計算結(jié)果如表2所示。此時初始彎矩同基礎頂面彎矩的比值可達43%～60%，如孔洞圓心角取max=0.194π，該比值將達100%以上（計算略）。

表2 筒壁初始彎矩的計算（引用自建筑結(jié)構可靠度設計統(tǒng)一標準）

筒壁型號筒壁底部半徑洞寬D孔洞半角θ1+θ2/rad筒壁初始偏心矩e0/m筒身重力荷載N筒壁初始彎矩Mi n基礎頂面彎矩M+Ma 外徑R1內(nèi)徑R2β TB80-1.7-0.35-13.012.710.9001.600.180π0.595 311 3076 73115 59443% TB80-2.0-0.35-13.162.860.9051.700.182π0.634 312 1937 73417 40344% TB80-2.5-0.35-13.413.110.9121.900.198π0.754 513 66910 31320 37051% TB80-3.0-0.35-13.663.360.9182.200.216π0.895 015 74514 09223 49860% TB100-2.0-0.35-14.013.670.9151.700.146π0.634 118 73811 88229 29541% TB100-2.5-0.35-14.263.920.9201.900.154π0.716 220 67414 80733 59044% TB100-3.0-0.35-14.514.170.9252.200.169π0.842322 83219 23136 25053% TB100-3.5-0.35-14.764.420.9292.400.175π0.925 924 54622 72743 04053%

注：表2中，筒身重力荷載和基礎頂面彎矩+a取自文獻[3]

3 筒壁豎向截面承載能力的計算

2013年版規(guī)范第7.3.2條規(guī)定，筒壁豎向截面極限承載能力可按現(xiàn)行國家標準混凝土結(jié)構設計規(guī)范GB50010正截面受彎承載力進行計算。這條規(guī)定的內(nèi)容令人感到無法理解，也很是值得商榷。下面對這條的規(guī)定進行分析。

鋼筋混凝土煙囪雖然是一座構筑物，但從宏觀上和受力角度看，煙囪筒壁就是一個上端自由、下端嵌固、環(huán)形截面且承受豎向力和彎矩的較大尺度的偏心受壓構件（桿件）。雖然它的材料特性、荷載效應（內(nèi)力）、結(jié)構尺度、截面形狀和極限承載能力的計算等有其特殊性，但煙囪筒壁極限承載能力的基本計算原則以及結(jié)構可靠性的判別與偏壓構件的設計計算不應有原則性的差別。當前幾乎所有的專用標準、教科書、技術文獻都不計算偏心受壓構件的豎向截面的承載能力。就連混凝土結(jié)構設計規(guī)范GB50010也沒給出偏心受壓構件豎向截面極限承載能力的計算公式。所以2013年版規(guī)范第7.3.2條規(guī)定是不恰當?shù)摹?/p>

2013年版規(guī)范第7.3.2條的規(guī)定，筒壁豎向截面極限承載能力是按筒壁正截面來計算的。事實上，筒壁豎向截面應當是與煙囪中心線相平行的截面，筒壁正截面是與煙囪中心線呈正交的截面，即筒壁的水平截面。用筒壁水平截面的參數(shù)和公式計算筒壁豎向截面的抗力（承載力），顯然是自相矛盾的。煙囪筒壁豎向截面是與煙囪中心線相平行的截面，剖切面要不要通過煙囪中心線，要不要通過煙道入口，規(guī)范都未作出規(guī)定，剖切面的位置不同，筒壁豎向截面的尺寸×不同，不同的截面尺寸計算得出的承載能力也應是不同的（假設豎向截面承載能力是可以計算的）。

為計算煙囪筒壁豎向截面的抗彎承載能力，首先必須計算出作用于筒壁豎向截面上的荷載效應（內(nèi)力），即彎矩值。實際上，在筒身自重、風荷載、地震等作用下，煙囪筒壁豎向截面上并沒有彎矩（只有剪應力），就算能夠計算出煙囪筒壁豎向截面的抗彎承載能力（抗力），面對一個無荷載效應（彎矩）的截面，這種計算也沒什么意義。

4 小結(jié)

綜合上述分析，可以得出以下幾點看法：①驗算煙囪筒壁水平截面承載能力時，若按壓彎構件計算必須滿足以下兩個承載能力可靠性判別式，≤和+a≤；如果按偏心受壓構件計算，則只須滿足承載能力判別式≤即可，但是抗力的作用點必須同荷載效應設計值的作用點在一條垂直線上，即荷載效應設計值和承載能力（抗力）設計值必須共線。②驗算煙囪筒壁水平截面承載能力時，應考慮筒壁上煙道開孔使截面形心偏離煙囪軸心后，煙囪自重產(chǎn)生的初始彎矩in，特別是場地基本風壓0較小、煙道開孔較大或兩孔中線夾角較小時。③2013年版規(guī)范第7.5.3條的規(guī)定的孔洞最大限值似偏大，應適當降低。在極端情況時孔洞面積幾乎占筒壁毛面積的20%（單孔）和40%（雙孔）。④驗算兩個孔洞的煙囪筒壁水平截面承載能力時，2013年版規(guī)范對兩孔中線夾角0未作規(guī)定，似欠妥。在極端的情況下，即當0≤（π－1－2）+1+2且1=2= 70°時，不僅筒壁凈面積減少了將近40 %，而且由于截面形心的偏心而產(chǎn)生的初始彎矩in也是相當大的，甚至大于+a.⑤2013年版規(guī)范第7.3.2條關于煙囪筒壁豎向截面承載能力計算的規(guī)定，與很多專業(yè)專用標準、特別是混凝土結(jié)構設計規(guī)范GB50010的規(guī)定是互相矛盾的，刪除為宜。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部組織.工程結(jié)構可靠性設計統(tǒng)一標準［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

［2］李明順.工程結(jié)構可靠度設計統(tǒng)一標準及概率極限狀態(tài)設計方法概述［J］.建筑科學，1992（2）：5-9.

［3］林忠民.工程結(jié)構可靠性設計的近似概率法［J］.數(shù)學的實踐與認識，1984（1）：70-77.

［4］住房和城鄉(xiāng)建設部標準定額司.工程建設標準編制指南［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

2095－6835（2018）23－0014－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.014

〔編輯：嚴麗琴〕