某硫磺制酸裝置套管式鋼筋混凝土排氣筒的設(shè)計(jì)

1、<p>　　某硫磺制酸裝置套管式鋼筋混凝土排氣筒的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：依據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50051-2002，簡(jiǎn)述某硫磺制酸裝置套筒式鋼筋混凝土外筒，鋼內(nèi)筒排氣筒的結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)造要求。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：套筒式排氣筒；混凝土外筒；結(jié)構(gòu)計(jì)算 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p&

2、gt;<p>　　近年來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，全國(guó)各地興建了許多大中型石油化工、冶金、電力項(xiàng)目，在這些項(xiàng)目中排氣筒是最常用的排放尾氣的構(gòu)筑物。它屬于高聳構(gòu)筑物，不僅高度高、承受的風(fēng)荷大，而且還承受高溫作用及排放的煙氣的腐蝕。由于排氣筒自身的特殊性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就須根據(jù)排氣筒高度、抗震設(shè)防烈度、材料供應(yīng)情況和當(dāng)?shù)厥┕l件等方面綜合考慮。以下本文就結(jié)合某硫磺制酸裝置套筒式排氣筒的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)造要求。 </p&g

3、t;<p><b>　　一．工程概況： </b></p><p>　　1）某硫磺制酸裝置建設(shè)地點(diǎn)位于貴州某地，年平均降水量1158.1mm，最大日降水量108.8mm，常年陰雨天氣。 </p><p>　　2）基本風(fēng)壓：0.45KN/m2，極端最高溫度34.8℃，極端最低溫度-8.8℃。 </p><p>　　3）地面粗糙度：B類

4、， 場(chǎng)地土類型為軟弱場(chǎng)地土，建筑場(chǎng)地類別III類,特征周期為0.45s。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。 </p><p>　　4)排氣筒高度80米，常壓，煙氣設(shè)計(jì)溫度70oc，介質(zhì)含少量的SO2,SO3氣體, 工藝進(jìn)氣口標(biāo)高：▽18.000,鋼內(nèi)筒直徑2100mm，內(nèi)筒凈重53.4噸。 </p><p>　　二．排氣筒結(jié)構(gòu)選型： </p&

5、gt;<p>　　由于排氣筒的結(jié)構(gòu)與煙囪類似，我們可以通過比較煙囪的類型來選型，依據(jù)煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范來進(jìn)行設(shè)計(jì)。我們知道煙囪通常有如下幾類： </p><p>　　1）磚煙囪：高度通常在60米以下，筒身用磚砌筑，耐熱性能比普通鋼筋混凝土好，但整體性和抗震性能差，在溫度應(yīng)力作用下易開裂，施工復(fù)雜，手工操作多，周期長(zhǎng)。 </p><p>　　2）鋼筋混凝土煙囪：高度通常在60~200

6、米，自重較大，整體性和抗震性能好，耐久性好，后期防腐維修費(fèi)用少。一般用液壓滑模施工，便于機(jī)械化施工。 </p><p>　　3）鋼煙囪：根據(jù)高度可采用自立式、拉索式、塔架式。自重輕，施工周期短，安裝要求高，但由于鋼煙囪處于外露環(huán)境中，塔架及煙囪外表面易受大氣腐蝕，同時(shí)內(nèi)表面又收到煙氣腐蝕和溫度作用。鋼梯均設(shè)置在筒壁外費(fèi)用高，高空作業(yè)困難。 </p><p>　　以上幾種煙囪各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過

7、對(duì)所建成的煙囪使用情況走訪了解，混凝土及磚煙囪存在有程度不同的裂縫及腐蝕，鋼煙囪后期防腐維護(hù)工作量大且操作不便，并且由于上煙囪頂部的鋼梯均設(shè)置在筒壁外，給上去維修及驗(yàn)收檢測(cè)人員上下煙囪帶來極為不便。由于本建設(shè)場(chǎng)地常年陰雨天氣，業(yè)主從安全角度考慮，要求鋼梯設(shè)置在筒壁內(nèi)，并減少后期防腐維修。經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，最終采用鋼筋混凝土外筒承重，鋼內(nèi)筒排煙氣的套筒式排氣筒。 </p><p>　　三．確定排氣筒尺寸及自重： <

8、;/p><p>　　首先要與業(yè)主及施工單位確定套筒式排氣筒的施工及吊裝方案，外筒先施工一般采用液壓滑模施工，鋼內(nèi)筒的吊裝方案有兩種：一種是從上往下進(jìn)行頂升吊裝的方法，另一種是從下往上順序安裝法進(jìn)行吊裝的方法，兩種方法施工順序及安裝荷載不同。本裝置采用液壓頂升的施工方法。為了將鋼內(nèi)筒安全有序，保質(zhì)保量的安裝到位，設(shè)計(jì)時(shí)外筒的直徑、各層平臺(tái)的標(biāo)高及中間內(nèi)筒孔的大小、底部予留安裝洞口的位置及大小、避雷及信號(hào)燈的做法均須與工

9、藝、設(shè)備、電氣、儀表等專業(yè)密切配合，同時(shí)還須考慮以下幾點(diǎn)： </p><p>　　1）鋼筋混凝土承重外筒的最小厚度不宜小于250mm； </p><p>　　2）外筒與內(nèi)筒之間各層平臺(tái)的通道寬度不易小于750mm； </p><p>　　3）考慮到頂部排煙口處冷凝易形成冷凝酸，腐蝕性較大，故將外筒低于鋼內(nèi)筒2米，即外筒78米。 </p><p&g

10、t;　　4）鋼內(nèi)筒應(yīng)設(shè)置制晃裝置。制晃裝置采用剛性的，利用平臺(tái)作為約束構(gòu)件。制晃裝置對(duì)鋼內(nèi)筒僅起水平彈性約束作用，不應(yīng)約束鋼內(nèi)筒由于煙氣溫度作用而產(chǎn)生的豎向和水平方向的溫度變形。 </p><p>　　5) 當(dāng)采用鋼內(nèi)筒時(shí)，外筒底部應(yīng)預(yù)留吊裝鋼內(nèi)筒的安裝孔。如選擇在外筒外部焊接成筒的施工方案時(shí)，安裝孔寬度應(yīng)大于鋼內(nèi)筒外徑0.5~1.0m,孔的高度應(yīng)根據(jù)分段鋼內(nèi)筒長(zhǎng)度確定，應(yīng)確保每節(jié)鋼內(nèi)筒被拖入混凝土外筒內(nèi)直立后安

11、裝就位。吊裝完成后，應(yīng)用磚砌體將安裝孔封閉。安裝孔的對(duì)應(yīng)側(cè)面應(yīng)開設(shè)一個(gè)檢修大門。 </p><p>　　6）除頂層為混凝土平臺(tái)外，其余各層平臺(tái)采用鋼平臺(tái)。鋼內(nèi)筒采用自立式。鋼內(nèi)筒外部可根據(jù)筒內(nèi)溫度設(shè)置隔熱層。 </p><p>　　鋼筋混凝土排氣筒外筒與鋼內(nèi)筒剛度相比，鋼內(nèi)筒剛度較小，故在鋼筋混凝土外筒計(jì)算時(shí)可以不考慮鋼內(nèi)筒剛度。因鋼內(nèi)筒由設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)，故以下僅敘述混凝土外筒的荷載及計(jì)算。

12、 </p><p>　　混凝土外筒根據(jù)進(jìn)氣孔位置及大小，沿筒身高度分10節(jié)，具體尺寸及自重見下表及下圖。 </p><p>　　四．排氣筒平臺(tái)安裝檢修荷載 </p><p>　　根據(jù)煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定： </p><p>　　1）頂層平臺(tái)積灰和檢修荷載標(biāo)準(zhǔn)值7KN/M2;2)懸掛鋼內(nèi)筒的承重平臺(tái)及用于施工吊裝平臺(tái)計(jì)算時(shí)，平臺(tái)荷載標(biāo)準(zhǔn)值7~11K

13、N/M2，其它平臺(tái)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值3KN/M2。 </p><p>　　各層平臺(tái)荷重見下表。 </p><p>　　五．排氣筒地震作用 </p><p>　　根據(jù)煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，6度地震區(qū)排氣筒設(shè)計(jì)可不考慮豎向地震作用，只計(jì)算水平地震作用。因本工程排氣筒高度不超過100米，可采用簡(jiǎn)化法進(jìn)行計(jì)算。 </p><p>　　排氣筒底部地震彎矩M地=

14、7272.25KNm；底部地震剪力V0= 205.14 KN。 </p><p>　　六．排氣筒溫度作用 </p><p>　　由于煙氣由鋼內(nèi)筒及保溫層隔離，在通風(fēng)條件良好情況下，計(jì)算時(shí)可不考慮溫度及溫度應(yīng)力對(duì)材料強(qiáng)度的影響，按鋼筋混凝土外筒內(nèi)壁溫度進(jìn)行計(jì)算。 </p><p><b>　　七．排氣筒風(fēng)荷載 </b></p>&l

15、t;p>　　根據(jù)煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)排氣筒坡度2%,故可不考慮橫風(fēng)向風(fēng)振影響。 </p><p>　　排氣筒底部風(fēng)荷載引起的剪力V風(fēng)=278.4 KN，引起的彎矩M風(fēng)=11775.46KMm </p><p>　　八．排氣筒附加彎矩 </p><p>　　附加彎矩計(jì)算是排氣筒這種高聳構(gòu)筑物區(qū)別于其它低矮構(gòu)筑物所受荷載的不同之處，也是排氣筒設(shè)計(jì)計(jì)算中較復(fù)雜和重要的步

16、驟。整個(gè)排氣筒筒身可視作一個(gè)環(huán)形截面的偏心受壓構(gòu)件。在風(fēng)荷載、日照、基礎(chǔ)傾斜、地震力作用下，筒身會(huì)側(cè)向撓曲變形和傾斜，筒身自重在筒身各水平截面都會(huì)產(chǎn)生附加彎矩。最終筒身的附加彎矩為風(fēng)荷載產(chǎn)生的附加彎矩Mw, 日照產(chǎn)生的附加彎矩Mr及基礎(chǔ)傾斜產(chǎn)生的附加彎矩MJ之和。若考慮地震時(shí)，最終筒身的附加彎矩則為地震力、25%風(fēng)荷載、日照和基礎(chǔ)傾斜引起的附加彎矩之和。 </p><p>　　由于排氣筒筒身的直徑及筒壁厚度沿著筒

17、身高度變化，剛度不同，風(fēng)荷及地震力引起的彎矩也在變化，筒身水平截面上材料在不同變化階段和不同應(yīng)力下塑形發(fā)展不同，各截面水平變位也不同，其最終附加彎矩應(yīng)是各截面附加彎矩的疊加。為簡(jiǎn)化計(jì)算可按規(guī)范先確定排氣筒筒身代表截面的位置，并以此截面的終曲率按等曲率計(jì)算筒身上各處的變位和轉(zhuǎn)角。筒身代表截面的位置可按煙囪規(guī)范7.2.7確定。本裝置符合7.2.7-2條，取煙道孔口上一節(jié)的筒壁底截面。另須注意當(dāng)筒身下部大于3%的坡度段超過h/4范圍時(shí)，不能按

18、此確定筒身代表截面的位置及變形曲率，按排氣筒規(guī)范7.2.8公式計(jì)算，否則按此計(jì)算會(huì)使筒身附加彎矩計(jì)算值加大。 </p><p>　　鋼筋混凝土排氣筒筒壁設(shè)計(jì)是按水平截面承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，故任意截面的附加彎矩計(jì)算時(shí)其折算線分布重力荷載及筒身變形曲率也分別按兩種極限狀態(tài)計(jì)算。折算線分布重力荷載是指排氣筒筒身自重沿筒身高度按直線分布取折算值，而筒身代表截面處變形曲率與截面上所受的荷載性

19、質(zhì)、受荷階段及截面上材料的塑性發(fā)展程度有關(guān)。不同的極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)均需先判別截面上材料的塑性發(fā)展程度，即用截面上的軸心力對(duì)截面中心的相對(duì)偏心距e的大小來判別截面上應(yīng)力狀態(tài)，按e/r(筒身代表截面處半徑)大于0.5,或小于等于0.5選用不同的計(jì)算公式計(jì)算變形曲率。 </p><p>　　九．排氣筒筒壁承載能力極限狀態(tài)計(jì)算 </p><p>　　鋼筋混凝土排氣筒筒壁只計(jì)算水平截面的強(qiáng)度，這是因?yàn)?/p>

20、垂直截面僅承受溫度作用，在溫度差的單獨(dú)作用下，某些截面會(huì)出現(xiàn)塑形鉸，發(fā)生截面的轉(zhuǎn)動(dòng)變形。 </p><p>　　根據(jù)工藝專業(yè)要求排氣筒筒壁需要留煙道孔洞時(shí)，這會(huì)削弱洞口截面的強(qiáng)度，故規(guī)范給出按截面無孔洞，有一個(gè)孔洞，有兩個(gè)孔洞時(shí)不同的公式分別計(jì)算，相應(yīng)地筒壁上孔洞的設(shè)置應(yīng)符合煙囪規(guī)范6.6.4的構(gòu)造要求。 </p><p>　　十．排氣筒筒壁正常使用極限狀態(tài)計(jì)算 </p>&

21、lt;p>　　多年的工程實(shí)踐證明，排氣筒普遍存在豎向裂縫和環(huán)向裂縫問題，豎向裂縫一般最多，其次是環(huán)向裂縫。產(chǎn)生裂縫的主要原因是溫度和收縮作用，另外將處于拉應(yīng)力狀態(tài)的筒壁按單軸強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算也是導(dǎo)致裂縫的一個(gè)原因。在拉壓狀態(tài)下，混凝土抗壓強(qiáng)度低于單軸抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度低于單軸抗拉強(qiáng)度；在溫差作用下，使筒壁外側(cè)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)向溫度拉應(yīng)力；而在自重及風(fēng)荷載作用下，于筒壁背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。因此根據(jù)規(guī)范要求，排氣筒筒壁正常使用極限狀態(tài)計(jì)算應(yīng)

22、包括以下內(nèi)容：1）計(jì)算在荷載標(biāo)準(zhǔn)值和溫度共同作用下混凝土與鋼筋應(yīng)力，以及裂縫處水平截面和垂直截面在溫度單獨(dú)作用下鋼筋拉應(yīng)力，滿足規(guī)范公式要求；2）驗(yàn)算筒壁最大水平及豎向裂縫寬度，并滿足最大裂縫寬度限值：筒壁頂部20米范圍內(nèi)0.15mm,其余部位：環(huán)境類別一二類時(shí)0.30mm,三類時(shí)0.20mm </p><p>　　以上簡(jiǎn)要介紹了套筒式煙囪混凝土外筒的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，基礎(chǔ)按常規(guī)設(shè)計(jì)，這里不再敘述。另在構(gòu)造上還需注意

23、：1）筒身應(yīng)設(shè)置測(cè)溫孔、沉降觀測(cè)點(diǎn)和傾斜觀測(cè)點(diǎn)。2）外筒應(yīng)在下部第一層平臺(tái)上部1.5米處，開設(shè)4個(gè)進(jìn)風(fēng)口,進(jìn)風(fēng)孔的總面積約為外筒包圍的水平截面面積的5%。在頂層平臺(tái)下設(shè)置4個(gè)出風(fēng)口，其面積略小于進(jìn)風(fēng)孔面積。3）各層平臺(tái)應(yīng)設(shè)置照明和通訊設(shè)施，上層照明開關(guān)應(yīng)設(shè)在下層平臺(tái)上。4）煙囪應(yīng)在頂部▽78.0和▽44.0處各設(shè)置一層障礙燈，每層設(shè)3個(gè)障礙燈，沿筒身均勻布置。5）在煙囪外壁的頂部應(yīng)刷航空標(biāo)志色漆,標(biāo)志色漆采用丙烯酸聚氨酯航空色標(biāo)志漆,附

24、著力達(dá)到一級(jí)，其耐酸腐蝕、耐老化、保色性均要求達(dá)到10年以上。色標(biāo)漆應(yīng)在混凝土外表面20mm深度內(nèi)含水率不大于6%的情況下施工。二底二面120um厚,自筒首以下30m范圍內(nèi)約每5m為一段,紅白相間進(jìn)行涂刷,筒首為紅色。 </p><p>　　此排氣筒建成已有八年，至今使用良好。鋼筋混凝土排氣筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為復(fù)雜且涉及面廣的工作，為了確保整個(gè)建筑的安全性、穩(wěn)定性、抗震性，必須在設(shè)計(jì)及施工中嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的

25、要求進(jìn)行，并對(duì)容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)和細(xì)節(jié)加以注意，以確保工程的整體質(zhì)量。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]《煙囪工程手冊(cè)》 中國(guó)冶金建設(shè)集團(tuán)包頭鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院主編. </p><p>　　[2]趙艷嬪 煙囪設(shè)計(jì)的回顧和展望 《山西建筑》2004（10） </p><p>　　[