某塔架式钢烟囱结构设计及经济比较

中国电力建设工程咨询有限公司 杨 云

1 电厂烟囱结构形式介绍

电厂中的烟囱有多种形式，根据所采用的材料可分为砖烟囱、钢筋混凝土烟囱、钢烟囱。其中，钢烟囱包括塔架式、自立式和拉索式三种形式。自立式钢烟囱形式一般用于较低矮的烟囱，比较高大的钢烟囱可采用塔架式烟囱，钢烟囱比较细高时可采用拉索式烟囱。设计前应根据建设方的设计要求、现场场地条件、经济因素等进行合理选型。

塔架式钢烟囱是由筒身内筒钢与外支承钢塔架组成的一种钢烟囱。塔架式钢烟囱的水平力可由塔架承受，钢内筒不承受水平力，从而能够减小钢内筒的厚度，这样可以减轻每节内筒的重量，易于施工提升和顶升。但是塔架是钢结构形式，构件在工厂加工，数量较多，现场安装量大。

套筒式钢烟囱也是比较常用的钢烟囱形式。外筒采用钢筋混凝土，钢内筒悬吊或支承在外筒上，钢筒体是防腐蚀排烟筒。具有构造合理、构件数量少、材料消耗低、造型简洁美观等优点，但缺点是钢筋混凝土外筒自重较大，抗震性能差。

拉索式钢烟囱是由钢筒和斜拉索共同组成结构体系的钢烟囱。当烟囱高度与直径之比大于20时，可采用拉索式钢烟囱。

目前，国内电厂采用钢烟囱时，比较多数采用的结构形式是钢筋混凝土套筒式烟囱，也有多个已建的垃圾发电站采用塔架式钢烟囱，其外形美观，结构简洁，成为电厂建设中的一个亮点。宝钢烧结厂钢烟囱是我国自行设计、制作与安装的第一座塔架式双筒钢烟囱，烟囱高200m，由两座内径6m的筒身、外围一座塔架组成[1]。在韩国和日本的大参数、高容量电厂也已经采用这种烟囱。在我国垃圾发电站的建设中，一些去工业化设计的烟囱采用封闭的塔架式钢烟囱，有必要对塔架式钢烟囱的设计进行详细的介绍。

2 塔架式钢烟囱结构设计概述

按照《烟囱设计规范》（GB50051-2013）中10.1.2条规定：钢塔架及拉索计算可按现行国家标准《高耸结构设计标准》GB50135-2019的有关规定进行[2]。

塔架式钢烟囱的受力特点是多边形钢塔架主要承受外荷载，自立式钢排烟筒和钢塔架之间采用滑动连接，不承担水平风荷载和地震荷载。塔架整体上是竖向桁架，材料性能得到充分发挥。

在设计中主要是考虑以下几种荷载组合：自重、活载、风荷载和多遇地震荷载。进行塔架式钢烟囱结构设计主要进行以下几个方面：荷载作用和荷载组合计算、强度验算、稳定验算、基础计算等。

3 设计实例

3.1 工程概况

某工程为2×135MW的热电联产自备机组，两台锅炉共用一座单内筒烟囱。烟囱为脱硫不设GGH湿烟囱，入口烟气温度：正常运行（脱硫投入）工作温度约45℃。钢内筒等内直径5m，顶标高180m，内筒采用钛复合钢板。

3.2 结构设计基本条件

基本风压W0=0.60KN/m2（50年一遇），地面粗糙度类型为B类。设计使用年限为50年。抗震设防烈度为7度（0.15g），场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组。抗震设防类别为乙类。

3.3 结构选型

本工程钢内筒采用自立式钢内筒，内径5m，钢板自上而下厚8～20mm。钢内筒支承于混凝土底座，同时每30m设一道检修平台，钢塔架平台与钢排烟筒连接采用滑道式连接，在垂直方向钢内筒可自由变位，水平方向可传递水平力。塔架在水平向风荷载和地震荷载作用下，类似底部受约束的悬臂梁。因此，塔架的设计总体按照悬臂式空间桁架设计。

本工程钢内筒等内直径5m，顶标高180m。塔架采用四边形，底盘宽度为整个塔高的1/4～1/8，即22.5～45m，取底盘宽度为32.5m。塔架上段坡度沿高度不变化，下段坡度沿高度变化。90m至180m塔架柱坡度i=0，塔架宽10m；0m至90m塔架柱坡度i=0.125，塔架宽10m～32.5m。

3.4 荷载计算

钢烟囱及塔架设计主要考虑风荷载及地震荷载，地震荷载与风荷载的组合作用。《烟囱设计规范》（GB50051-2013）第5.2.2条规定：计算塔架式钢烟囱风荷载时，可不计入塔架与排烟筒的相互影响，可分别计算塔架与排烟筒的基本风荷载。故将钢内筒的风荷载按节点荷载作用在塔架节点上，然后在计算软件中建立塔架并考虑塔架风荷载。

风荷载是高耸建构筑物的主要侧向荷载，且时常超过地震力而成为决定性荷载。瞬时风速可分为平均风速和脉动风速，风对高耸结构的作用也表现为顺风向的平均风荷载、顺风向的脉动风荷载及脉动风引起的横风向共振[3]。我国规范采用平均风压乘以风振系数βz的形式表达顺风向的平均风荷载和脉动风荷载，其综合考虑了结构在风荷载作用下的平均风压和波动风压引起的动力效应。

《高耸结构设计标准》4.2.1条规定：垂直作用于高耸结构表面单位面积上的风荷载标准值应按下式计算[4]：

ωk=βzμsμzω0

其中，风振系数βz=1+ξε1ε2。依据ω0T2=1.944查《高耸结构设计标准》表4.2.9-1可得ξ=2，查表4.2.9-2可得ε1（考虑风压脉动和风压高度变化的影响系数），查表4.2.9-2可得ε2（考虑振型和结构外形的影响系数）。依据圆形截面，H/d＞25，取风载体形系数μs=0.6。

计算得风振系数βz以及风荷载标准值ωk取值见表1。

表1 风荷载标准值ωk计算表

《烟囱设计规范》5.2.4条规定：对于圆形钢筋混凝土烟囱和自立式钢结构烟囱，当其坡度小于或等于2%时，应根据雷诺数的不同情况进行横风向风振验算。

本工程雷诺数Re=69000νd==3.19X106，可不计算横风向共振荷载，但应在构造上采取防振措施。

3.5 地震作用分析

一般情况下，地震作用较相应的风荷载要小，塔顶位移和塔底应力均由风荷载控制，因此在高烈度区比如9度区，塔架式烟囱应用前景更大[3]。根据现行荷载规范，地震组合中考虑风荷载时，风荷载的组合系数为0.2，根据工程实践经验低烈度区的塔架可不验算地震作用。

3.6 结构计算

塔架计算采用MIDAS软件电算，在钢塔架的节点上按节点荷载输入钢塔架的风荷载及钢内筒的风荷载。此外，因为电梯筒直径、壁厚相对较小，为了简化，可忽略电梯筒刚度，并将作用于电梯筒上的风荷载分段传到塔架节点上。计算钢塔架时，除考虑自重荷载、风荷载、地震作用外，还应考虑平台活荷载7～11KN/m3、施工荷载和检修荷载。

塔架式钢烟囱具体的尺寸及其杆件截面按表2进行设计，杆件应力比控制在0.5～0.85。

表2 杆件截面表

3.7 计算结果分析

3.7.1 周期及振型方向

分析结果：主体结构第一阶固有频率T1=1.815S，基本周期适中。T2/T1≈1，结构两方向刚度较均匀。但周期计算结果与《建筑结构荷载规范》附录F经验公式T=(0.007～0.013)H相比较小。设计时应根据分析计算结果重新计算风荷载。

3.7.2 风荷载作用下的结构响应

风荷载作用下的内力云图（轴力N）如图1所示。

图1 风载内力云图

风荷载作用下的位移见表3。

表3 风荷载作用下位移

从表3可以看出，在风荷载作用下，结构的最大位移和平均位移均小于规范要求的限值1/100。

3.7.3 地震荷载作用下的结构响应

地震荷载作用下的位移见表4。

表4 地震作用下位移

从表4可以看出，在地震荷载标准值作用下，结构的最大位移和平均位移均小于《建筑抗震设计规范》（2016年版）（GB50011-2010）中的弹性层间位移角限制θ＜[θe]=1/250。从风荷载和地震荷载作用下塔架的位移可以看出，塔架结构在地震荷载作用下的位移远小于风荷载作用下的位移，说明风荷载是高耸结构的决定性荷载。分析结果表明本工程塔架结构的抗震性能较好，在多遇地震作用下，位移均小于规范规定值，未出现明显的薄弱层。

4 从工程技术方面比较塔架式钢烟囱与钢筋混凝土烟囱的优缺点

烟囱结构选型原则要考虑环境保护、安全运行、使用寿命、技术经济等。烟囱本身的结构设计还要考虑土建原始资料、工艺条件、材料供应、施工技术等因素。

钢筋混凝土钢套筒式烟囱由钢筋混凝土外筒和钢排烟内筒组成，钢内筒一般为等直径自立式或悬挂式，与外筒全程脱开。其优点是：钢筋混凝土外筒刚度大，整体性好，易于成型；耐腐蚀性、耐火性、耐久性好。其缺点是：构件断面大、自重较重、抗裂性能差，一般现浇钢筋混凝土结构施工周期长，施工受外界影响较大，混凝土结构一旦被破坏，修复困难等。

塔架式钢烟囱的受力特点是多边形钢塔架主要承受外荷载，自立式排烟筒与钢塔架之间采用滑动连接，不承担水平风荷载和地震荷载。其优点是：施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半，节能指标高，钢结构属环保型绿色建筑体系。钢构件可以工厂化生产，更易实现工业化、批量化生产，提高劳动生产率。但是钢结构构件存在防腐、防火、后期维护等问题。

所以，从工程技术方面来说，采用钢内筒的钢筋混凝土套筒式烟囱和塔架式钢烟囱都是可行的，但是各有优缺点。采用钢内筒的钢筋混凝土套筒式烟囱断面和自重较大，施工周期长；塔架式钢烟囱采用环保型材料，但要注意做好钢构件的防腐、防火，需定期维护。

5 从经济造价方面比较塔架式钢烟囱与钢筋混凝土烟囱的优缺点

塔架式钢烟囱的缺点是：钢结构耗钢量高，造价高。一般电厂采用混凝土外筒烟囱，而不采用塔架式钢烟囱的主要原因是经济造价较高。

本工程烟囱塔架为四边形塔架，高180m，塔架底盘为32.5×32.5m，顶部为10×10m，除平台走道板外全部采用钢管结构承重。塔架钢结构总重量约2100t，塔架综合工程造价约1638万元。

而类似的钢筋混凝土套筒式烟囱的外筒筒壁混凝土约5900m³，外加检修平台等的钢梁总重约230t，外筒综合工程造价约1064万元。

从表5可以看出，塔架式钢烟囱的塔架造价要比钢筋混凝土套筒式烟囱的外筒造价高很多，但是塔架式钢烟囱自重较小，而钢筋混凝土套筒式烟囱的外筒混凝土自重较大，所以计算烟囱基础和地基处理费用时，塔架式钢烟囱基础要比钢筋混凝土套筒式烟囱基础的造价低。

表5 外筒造价比较（7度0.15g，fak=250kPa）

对两种烟囱的经济性进行比较时，应该综合考虑该地区的地震设防烈度、厂址的工程地质条件等外部条件。但总的来说，一般情况下塔架式钢烟囱的造价是要比同等条件下钢筋混凝土套筒式烟囱的造价高。

6 结论

塔架式钢烟囱对于具有较高环境和造型要求的机组来说，是可行的，在高烈度地区具有一定的结构优势，但造价较高，经济性较差。在国外的大参数、高容量电厂也已经采用这种烟囱。对于国外工程，钢结构发展水平较高，人工工资高，工期紧张时，塔架式钢烟囱有一定的优势。

目前从我国国情看，钢筋混凝土套筒式烟囱的应用范围极为广泛，并且在今后相当长的时期内，仍将为我国电厂烟囱的主要结构型式。但是随着我国可持续发展理念的不断深入，在全面践行碳达峰碳中重大战略的建设新征程中，塔架式钢烟囱的应用范围也一定会越来越广泛。