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單筒煙囪底部要承受較大的彎矩，結(jié)構(gòu)要設計成圓臺形。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，就會導致整個工廠或者流水線的停工，造成很大的經(jīng)濟損失。因此近年來鋼內(nèi)筒雙筒煙囪得到了廣泛的運用。但對內(nèi)地中等發(fā)達地區(qū)或者中小發(fā)電廠而言，使用鋼筋混凝土內(nèi)筒雙筒煙囪相對鋼內(nèi)筒雙筒煙囪而言要更經(jīng)濟，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，兩筒體就會產(chǎn)生較大溫差，筒間產(chǎn)生錯動，使得中間聯(lián)系梁和外部圍護結(jié)構(gòu)連接處產(chǎn)生較大的應力。
連體煙囪將幾個煙囪連接起來，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，連體煙囪選擇圓形截面形式，這種截面形式的缺點在于長軸短軸的慣性矩和抗彎性能相差較大，使得長軸方向的材料利用率較低，造成材料的浪費成本的增加。本文以某發(fā)電廠的煙囪工程背景，設計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，并與圓截面煙囪進行對比CAE分析。
已有計算發(fā)現(xiàn)，對于雙筒橢圓煙囪，在施加外部圍護結(jié)構(gòu)后，其連接處會產(chǎn)生很大的應力集中，較薄弱，而且占地面積也較大，不經(jīng)濟。為此，綜合考慮各方面的因素，并借鑒文獻橢圓鋼煙囪的截面形式，我們設計一新的雙筒連體橢圓煙囪，去除外部圍護結(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：長軸a為9.8m，短軸b為4.9，壁厚t為0.6m；橢圓頂部：長軸a為5.8m，短軸b為2.9m，壁厚t為0.4m，長軸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)標高0.0m、38.5m、78.5m、118.5m、158.5m、198.5m、233.5m處開設洞口，最底部洞口尺寸為1.2m×2.4m，其余洞口尺寸為1.1m×1.5m。標高每間隔20.000m設置一尺寸為4m×2m的橫梁，橫梁頂部與標高平齊。在7.6m、55.6m、115.6m、175.6m、230.8m截面處提取有代表性的8個節(jié)點的應力進行分析。截面選取避開洞口與連接梁處，防止由于應力集中導致不能準確反映筒身應力變化范圍。節(jié)點位置如圖所示。煙囪在自重、風荷載和溫度作用下有限元分析。
根據(jù)文獻，分別考慮重力、日照荷載、風載對煙囪的作用，進行有限元分析計算，見圖。
重力作用下壓應力最大值在煙囪底部，大小為6.59MPa。煙囪在風荷載（X方向）作用下的應力最大值為7.13MPa，位移最大值在煙囪頂部，大小為0.456m；煙囪在風荷載（Y方向）作用下的應力最大值為應力最大值為4.83MPa，煙囪頂部大小為0.365m。上述對于橢圓煙囪的有限元分析，溫度荷載取16.5℃，即煙囪正常運行狀態(tài)下的溫差值。考慮到突發(fā)事件的發(fā)生，煙囪內(nèi)壁耐火磚溫度遠不止50℃，有可能達到150℃。計算橢圓煙囪在突發(fā)事件下的應力場，首先進行溫度場的分析，取耐火磚厚度為12cm，溫度場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，煙囪平均溫度為31.1℃。取溫度荷載31.1℃，進行有限元計算，并和自重荷載以及風荷載作用的結(jié)果進行疊加，最不利方向x方向結(jié)果見表。
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