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單筒煙囪底部要承受較大的彎矩，結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)成圓臺(tái)形。這樣使得結(jié)構(gòu)底部的面積巨大，需要占用大面積的土地。單筒煙囪一旦遇到煙囪需要檢修停止工作的特殊情況下，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工廠或者流水線的停工，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此近年來(lái)鋼內(nèi)筒雙筒煙囪得到了廣泛的運(yùn)用。但對(duì)內(nèi)地中等發(fā)達(dá)地區(qū)或者中小發(fā)電廠而言，使用鋼筋混凝土內(nèi)筒雙筒煙囪相對(duì)鋼內(nèi)筒雙筒煙囪而言要更經(jīng)濟(jì)，取材更方便，成本更低。但鋼筋混凝土雙筒煙囪在遇到檢修，某一單筒停止工作時(shí)，兩筒體就會(huì)產(chǎn)生較大溫差，筒間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，使得中間聯(lián)系梁和外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力。
連體煙囪將幾個(gè)煙囪連接起來(lái)，使它們共同抵抗水平荷載作用，這種結(jié)構(gòu)具有較大的空間剛度和側(cè)向剛度，可以使結(jié)構(gòu)大道比較高的高度。近年來(lái)，連體煙囪選擇圓形截面形式，這種截面形式的缺點(diǎn)在于長(zhǎng)軸短軸的慣性矩和抗彎性能相差較大，使得長(zhǎng)軸方向的材料利用率較低，造成材料的浪費(fèi)成本的增加。本文以某發(fā)電廠的煙囪工程背景，設(shè)計(jì)一種截面漸變形式鋼筋混凝土雙筒連體橢圓煙囪，采用有限元分析其受力情況，并與圓截面煙囪進(jìn)行對(duì)比CAE分析。
已有計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于雙筒橢圓煙囪，在施加外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，其連接處會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，較薄弱，而且占地面積也較大，不經(jīng)濟(jì)。為此，綜合考慮各方面的因素，并借鑒文獻(xiàn)橢圓鋼煙囪的截面形式，我們?cè)O(shè)計(jì)一新的雙筒連體橢圓煙囪，去除外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)，為了保證筒體與連接梁的一側(cè)垂直，外側(cè)從上至下截面尺寸漸變。有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖所示。
連體煙囪主要尺寸為：高度為240m，橢圓底部：長(zhǎng)軸a為9.8m，短軸b為4.9，壁厚t為0.6m；橢圓頂部：長(zhǎng)軸a為5.8m，短軸b為2.9m，壁厚t為0.4m，長(zhǎng)軸a為5.8m，短軸b為2.9m，壁厚t為0.4m；兩橢圓形心距離h：頂部h為6.4m，底部為10.4m。材料參數(shù)取值：彈性模量E為2.6×e10Pa；泊松比為0.167；密度為2400kg/m3；線膨脹系數(shù)α為1×e-5。在橢圓內(nèi)筒身一側(cè)標(biāo)高0.0m、38.5m、78.5m、118.5m、158.5m、198.5m、233.5m處開(kāi)設(shè)洞口，最底部洞口尺寸為1.2m×2.4m，其余洞口尺寸為1.1m×1.5m。標(biāo)高每間隔20.000m設(shè)置一尺寸為4m×2m的橫梁，橫梁頂部與標(biāo)高平齊。在7.6m、55.6m、115.6m、175.6m、230.8m截面處提取有代表性的8個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行分析。截面選取避開(kāi)洞口與連接梁處，防止由于應(yīng)力集中導(dǎo)致不能準(zhǔn)確反映筒身應(yīng)力變化范圍。節(jié)點(diǎn)位置如圖所示。煙囪在自重、風(fēng)荷載和溫度作用下有限元分析。
根據(jù)文獻(xiàn)，分別考慮重力、日照荷載、風(fēng)載對(duì)煙囪的作用，進(jìn)行有限元分析計(jì)算，見(jiàn)圖。
重力作用下壓應(yīng)力最大值在煙囪底部，大小為6.59MPa。煙囪在風(fēng)荷載（X方向）作用下的應(yīng)力最大值為7.13MPa，位移最大值在煙囪頂部，大小為0.456m；煙囪在風(fēng)荷載（Y方向）作用下的應(yīng)力最大值為應(yīng)力最大值為4.83MPa，煙囪頂部大小為0.365m。上述對(duì)于橢圓煙囪的有限元分析，溫度荷載取16.5℃，即煙囪正常運(yùn)行狀態(tài)下的溫差值�？紤]到突發(fā)事件的發(fā)生，煙囪內(nèi)壁耐火磚溫度遠(yuǎn)不止50℃，有可能達(dá)到150℃。計(jì)算橢圓煙囪在突發(fā)事件下的應(yīng)力場(chǎng)，首先進(jìn)行溫度場(chǎng)的分析，取耐火磚厚度為12cm，溫度場(chǎng)分析得出混凝土層的平均溫度為31.1℃，即發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，煙囪平均溫度為31.1℃。取溫度荷載31.1℃，進(jìn)行有限元計(jì)算，并和自重荷載以及風(fēng)荷載作用的結(jié)果進(jìn)行疊加，最不利方向x方向結(jié)果見(jiàn)表。
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