王建強(qiáng)，朱文俊，莊繼勇，劉俊，王九根，王華丹，方浩峰

（1.寶武裝備智能科技有限公司，上海 201900；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；3.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

0 引言

目前鋼煙囪應(yīng)用越來越廣泛，一般鋼煙囪包括自立式、拉索式和塔架式三種形式[1]。某鋼鐵廠在役塔架式鋼煙囪于2007年投產(chǎn)使用，服役已接近15年，現(xiàn)因城市天際線美觀及工藝改進(jìn)的需要，計(jì)劃對其外立面進(jìn)行包裹封閉改造，由于該構(gòu)筑物位于風(fēng)壓較大區(qū)域、近長江入?？冢嚯x長江江邊約1km，且屬于風(fēng)荷載敏感的結(jié)構(gòu)，外側(cè)包裹蒙皮后迎風(fēng)面積將明顯增大，風(fēng)荷載作用影響顯著[2]，為了解封閉后塔架結(jié)構(gòu)承載力是否滿足規(guī)范要求，確保改造后塔架結(jié)構(gòu)安全使用，需對該塔架式鋼煙囪進(jìn)行風(fēng)振及結(jié)構(gòu)安全性專項(xiàng)計(jì)算分析，為該塔架式煙囪立面封閉改造項(xiàng)目提供了技術(shù)依據(jù)。

1 概況

該塔架式鋼煙囪采用四肢鋼管塔架，毗鄰某軋鋼主廠房，塔架總高度為47m，共分9層，每層層高約為5.2m，塔架平面呈矩形，標(biāo)高±0.000m處平面尺寸為8.0m×8.0m，平面尺寸沿高度內(nèi)收，至標(biāo)高21.1m處平面尺寸為7.0m×5.5m，該高度范圍內(nèi)四肢柱的鋼管型號均為Φ500×16，標(biāo)高2.1m～47.0m間平面尺寸均為7.0m×5.5m，該高度范圍內(nèi)四肢柱的鋼管型號均為Φ500×12。塔架沿高度間隔5.2m設(shè)有平臺，平臺梁主梁 截 面 尺 寸 均 為 BH400×400×10×16mm，主梁與塔架柱剛接，平臺板采用6mm花紋鋼板，四周鋼管柱每層均設(shè)柱間支撐，塔架設(shè)有鋼樓梯，可直達(dá)47.000m平臺。塔架式鋼煙囪底部下部采用樁基承臺，設(shè)49.7m長PHC500AB樁。塔架和煙囪本體均采用Q235B鋼材，塔架結(jié)構(gòu)的鋼材表面采用噴砂除銹，油漆三層（底漆+中漆+面漆），總厚度140μm，煙囪筒體采用噴射除銹，外壁油漆兩層（底漆+面漆），總厚度120μm，內(nèi)壁僅涂底漆，厚度60μm。

現(xiàn)因鋼廠融入所在城市天際線美觀及生產(chǎn)工藝改進(jìn)的需要，計(jì)劃對47m高的塔架外立面采用鏤空鋁板進(jìn)行封閉改造。封閉改造前后實(shí)景見圖1，塔架式鋼煙囪立面見圖2示。

圖1 封閉改造前后實(shí)景圖

圖2 塔架立面圖

2 塔架結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析

現(xiàn)行規(guī)范[3]僅通過地面粗糙度和建筑物間的互相干擾系數(shù)，對受風(fēng)荷載影響敏感程度、周圍建筑物對其風(fēng)荷載的增大效應(yīng)進(jìn)行粗略考慮。因此，為準(zhǔn)確分析外側(cè)包裹蒙皮后風(fēng)荷載對塔架結(jié)構(gòu)承載力的影響，采用數(shù)值風(fēng)洞模擬計(jì)算的方式，為該塔架構(gòu)筑物的風(fēng)荷載取值進(jìn)行分析，為塔架整體驗(yàn)算提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)值模擬風(fēng)荷載建模分析

采用數(shù)值模擬軟件，通過數(shù)值風(fēng)洞模擬方式，計(jì)算該塔架煙囪結(jié)構(gòu)以50年重現(xiàn)期風(fēng)壓條件下，數(shù)種工況作用下塔架表面風(fēng)荷載分布情況（分為0度、90度、180度及270度四個(gè)方向，順時(shí)針布置），包括塔架表面的平均壓力云圖、風(fēng)場速度矢量圖、等效靜力風(fēng)荷載等，部分模型及風(fēng)場布置見圖3。

圖3 180度工況流場速度矢量圖

2.1.1 風(fēng)荷載的數(shù)值模型建立

考慮到塔架底部外形的變化相對整體結(jié)構(gòu)不明顯，對煙囪塔架和周圍建筑的大致外形建立簡化模型，如圖3所示。建筑物的計(jì)算區(qū)域(X，Y，Z)以該塔架為中心，考慮長700m、寬420m、高150m的范圍。在塔架模型表面設(shè)置邊界層，同時(shí)設(shè)置加密區(qū)，以保證最終計(jì)算更易收斂、并保證精確度。

①模型邊界條件的設(shè)定

合理的邊界條件是流場控制方程有確定解的前提，邊界條件的選取直接影響到數(shù)值模擬計(jì)算的精確性。本文對風(fēng)效應(yīng)數(shù)值模擬中的邊界條件進(jìn)行設(shè)置。

a空氣相的邊界

入流面采用速度入口邊界條件，定義入口處速度U、湍流動(dòng)能k、湍流耗散率ε。風(fēng)速U(Z)采用速度隨距地表高度呈指數(shù)型變化的平均風(fēng)剖面輸入。

式（1）中，Z為距地表高度，U(Z)為Z高度處風(fēng)速，Z0為參考高度，U0為參考高度處的風(fēng)速。我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）中根據(jù)地形將地面粗糙度為A、B、C、D類，四種地面粗糙度對應(yīng)的地面粗糙系數(shù)分別為0.12、0.15、0.22、0.3，本次根據(jù)實(shí)際工程環(huán)境取0.15。

b壁面的邊界條件

本項(xiàng)目分析研究的是鈍體周圍風(fēng)的運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為周圍建筑物是固定不變形的，因而建筑物采用無滑移的壁面條件。建筑物計(jì)算域的側(cè)面、頂部采用自由滑移的壁面條件，指定壁面剪切應(yīng)力為0。

2.2 分析出的等效靜力風(fēng)荷載（50年）

通過采集兩個(gè)方向的風(fēng)場數(shù)值模擬，得出各種工況的風(fēng)向角荷載，在塔架有限元模型中的施加作用，并將面荷載等效為層高處集中荷載，部分等效風(fēng)荷載詳見表1～2。

0度風(fēng)向角各層等效靜力風(fēng)荷載 表1

90度風(fēng)向角各層等效靜力風(fēng)荷載 表2

2.3 數(shù)值模擬風(fēng)荷載分析結(jié)果

通過對該塔架煙囪進(jìn)行風(fēng)洞數(shù)值模擬，分析結(jié)果如下。

①因?yàn)樗芙Y(jié)構(gòu)近距離存在大型建筑，使得流場變得復(fù)雜，來流風(fēng)在結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面上部、側(cè)風(fēng)面的邊緣處產(chǎn)生了分離和再附，所形成的漩渦會直接改變近壁面的風(fēng)速場，這是對其表面風(fēng)壓分布規(guī)律產(chǎn)生影響的主要因素。

②結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布對其朝向有嚴(yán)重依賴性。這主要是因?yàn)樗芙Y(jié)構(gòu)附近廠房對其周圍流場產(chǎn)生較大影響，在90度工況時(shí)塔架結(jié)構(gòu)表面的平均壓力云圖上限值比0度工況時(shí)增大10%以上，因?yàn)榇藭r(shí)廠房在塔架背后阻擋了大范圍的來流風(fēng)，加強(qiáng)了“狹道效應(yīng)”。此外，若90度來流風(fēng)完全反向，則會因?yàn)閺S房在前方阻擋，塔架表面風(fēng)作用將減弱，同理，0度工況中來流風(fēng)從廠房遠(yuǎn)端吹來時(shí)，位于更后方的塔架周圍流場將受到其分離區(qū)的影響，導(dǎo)致結(jié)果偏小。所以，本次研究分析中的0度和90度兩個(gè)方向來流都選擇了在建筑物縱向、橫向上的控制工況。

③運(yùn)用大渦模擬亞格子模型，結(jié)合合適的湍流入口生成方法能夠?qū)λ芙Y(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行有效的預(yù)測，經(jīng)過計(jì)算得到的部分層間部位等效靜力風(fēng)荷載略大于規(guī)范（10%以內(nèi)）。

3 塔架結(jié)構(gòu)安全性分析

3.1 塔架結(jié)構(gòu)有限元建模

采用有限元軟件sap2000v23對塔架煙囪整體進(jìn)行建模計(jì)算分析。主要是通過整體模型，得到結(jié)構(gòu)層面、構(gòu)件層面的內(nèi)力及變形情況。

煙囪采用4節(jié)點(diǎn)薄殼單元，單元最大剖分尺寸為1000mm，煙囪底部同樣采用法蘭盤連接，在底部采用鉸接約束作為煙囪的支座邊界條件。塔架鋼結(jié)構(gòu)柱、梁及支撐采用2節(jié)點(diǎn)梁單元進(jìn)行建模，支撐與樓面次梁采用鉸接約束，釋放單元端部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。四根立柱在底部均采用高強(qiáng)螺栓法蘭連接，采用剛接約束作為支撐框架部分的支座邊界條件，外塔基與煙囪之間設(shè)置了雙向可滑動(dòng)約束節(jié)點(diǎn)，沿高度方向有四個(gè)樓層設(shè)置了該滑動(dòng)裝置。

3.2 塔架結(jié)構(gòu)有限元分析加載

重力荷載按圖紙考慮，風(fēng)荷載根據(jù)風(fēng)場模擬結(jié)果，按照表1和表2取值根據(jù)樓層進(jìn)行施加，以線荷載施加至對應(yīng)方向的樓層外圈梁上，按照規(guī)范要求考慮地震荷載及荷載組合。結(jié)構(gòu)振型圖及位移云圖見圖4、圖5。

圖4 結(jié)構(gòu)振型圖

圖5 X方向風(fēng)荷載位移云圖（mm）

3.3 塔架結(jié)構(gòu)承載力安全性分析

3.3.1 塔架上部結(jié)構(gòu)承載力分析

①塔架結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果分析

對風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行輸出，X方向頂部位移最大值為63mm，Y方向頂部最大位移為35mm。

對地震作用下結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行輸出，X方向頂部位移最大值為21mm，Y方向頂部最大位移為18.2mm。

對比可知，風(fēng)荷載作用明顯高于地震作用。風(fēng)荷載、地震作用下的塔架煙囪水平位移均滿足規(guī)范限值要求。

②塔架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

塔架煙囪外側(cè)標(biāo)高±0.000m～47.0m間外包鋁鏤空裝飾板包裹封閉改造后，經(jīng)過計(jì)算分析，外側(cè)塔架梁、柱支撐的應(yīng)力比均小于1.0，外側(cè)塔架的鋼結(jié)構(gòu)桿件滿足規(guī)范要求[4]，其中底層柱的應(yīng)力效應(yīng)比最大，應(yīng)力比為0.443，上部塔架煙囪的結(jié)構(gòu)承載能力可以滿足要求。

③煙囪與塔架間滑動(dòng)支座分析

提取所有滑動(dòng)支座處連接單元的變形值，風(fēng)荷載作用下支座處沿筒徑方向的相對變形最大值為2.76mm，相對豎向變形最大值為1.31mm，說明外側(cè)塔架與煙囪本體之間相對變形較小，兩者協(xié)同工作狀態(tài)較好。

④塔架底部柱腳節(jié)點(diǎn)計(jì)算分析

增加外蒙皮后，需要對結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點(diǎn)重新驗(yàn)算，模型中有4個(gè)柱腳，構(gòu)造相同，采用8根M60的錨栓，錨栓為8根M60，強(qiáng)度等級為Q235，錨固長度為1200mm。經(jīng)過計(jì)算分析，煙囪外側(cè)塔架肢柱柱腳節(jié)點(diǎn)錨栓等承載力滿足要求。

綜上所述，塔架煙囪外部包裹封閉后，塔架結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、地震作用下的水平變形均滿足規(guī)范限值要求，塔架上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等承載能力滿足要求。

3.3.2 塔架下部基礎(chǔ)承載力分析

塔架外側(cè)包裹處理后，風(fēng)荷載增加，需要對樁基的抗拔和抗剪重新進(jìn)行驗(yàn)算。該塔架煙囪下共設(shè)14根管樁。

依據(jù)上部荷載，經(jīng)過計(jì)算，樁基礎(chǔ)的豎向承載力滿足要求，基礎(chǔ)下預(yù)應(yīng)力管樁單樁水平承載力不滿足規(guī)范要求[5]。

3.3.3 處理意見

針對下部預(yù)應(yīng)力管樁的水平承載不滿足規(guī)范要求的問題，建議可采用基礎(chǔ)底板擴(kuò)大并補(bǔ)樁或?qū)A(chǔ)進(jìn)行注漿等方法進(jìn)行加固處理，同時(shí)建議后續(xù)應(yīng)采用穿孔率及孔徑均較大的外包鏤空鋁板，便于增大透風(fēng)和散熱效果。

4 結(jié)語

文章采用數(shù)值模擬和有限元方法，對某在役塔架式鋼煙囪外立面封閉后風(fēng)振計(jì)算及結(jié)構(gòu)安全性分析，并提出了相應(yīng)后續(xù)加固處理建議，為該塔架式煙囪立面封閉改造后的安全使用提供技術(shù)依據(jù)，可供同類工程參考。