基于ANSYS的多管式钢内筒烟囱有限元分析

    烟囱是工业与民用建筑中不可或缺的构筑物，属于土建特种结构，在电厂建筑中是一项重要的标志性建筑。多管式烟囱是目前国际上通用的一种电厂烟囱形式。其主要优点在于烟气流速稳定，烟气扩散效果好，便于维护检修，同时结构温度应力较小，可避免钢筋混凝土外筒出现裂缝和腐蚀，进而提高电厂烟囱的整体耐久性能。

    本案例以四川某地区三管集束式钢内筒烟囱为例，探讨了ANSYS在其内力计算中的应用。该项目所在地基本风压为0.37KN/m2，六度设防，设计地震分组为第一组，场地类别为二类。该烟囱总高176m,在标高35.25、54.10、90.68、138.83、175.10分别设置检修平台。外筒采用钢筋混凝土，混凝土强度为C35,钢筋HRB400，内筒采用玻璃钢，结构典型平面如下：

    该结构有限元分析的整体思路是将钢筋混凝土外筒与玻璃钢内筒分开计算。首先计算钢筋混凝土外筒，不考虑内筒抗弯刚度的影响但在进行抗震计算时应该将内筒质量作为附加参震质量；其次进行内筒计算，考虑在每个平台处外筒和内筒位移协调，将外筒位移附加在内筒上进行内筒计算。

    本次外筒建模主要采用实体单元solid185以及表面效应单元surf154,内筒建模主要采用shell63。外筒结构模型如下所示：

一、外筒荷载计算

    恒载：恒载部分除了外筒本身的自重外，还包括平台的自重以及内容传来的自重。平台自重一般根据经验取值，此处取3KN/m2。

    活荷载：活荷载主要考虑平台，此处根据相关规范，除顶部平台取7KN/m2外，其他平台皆取3KN/m2。

    注意，在计算荷载的过程中，需要将各个平台的荷载手动导算到外筒筒壁上。

    风荷载：基本风压取0.37 KN/m2，地面粗糙类取B。根据规范5.2.4，坡度大于2%，故可不进行横风向风振验算。计算过程如下：

二、结构动力特性

    结构前六阶的自振频率如下：

振型图如下：

二、外筒计算结果

    注意此结构静力计算中除了需要考虑横向地震外，根据我国抗震规范，还需进行竖向地震计算，同时，应打开大变形开关以考虑二阶效应，本次工况组合如下：

荷载标准值组合

1.0恒+1.0风

1.0重力荷载标准+0.2风+1.0水平-0.4竖向

1.0重力荷载标准+0.2风+1.0水平+0.4竖向

1.0重力荷载标准+0.2风+10.4水平-1竖向

1.0重力荷载标准+0.2风+0.4水平+1竖向

荷载设计值组合

1.0 恒+1.4风

1.2恒+1.4风

1.2恒+0.28风

由于是实体单元建模，在结构内力查看过程中需要用到面操作，本次计算典型的面操作命令流如下：

wpcsys,-1

!查看内力截面出的坐标
wpoffs,,,-300            
sucr,suz,cplane,3   
sumap,mysx,s,x
sumap,mysy,s,y
sumap,mysz,s,z
sumap,mysxy,s,xy
sumap,mysyz,s,yz
sumap,mysxz,s,xz   

 !将节点应力结果投影到面上
sueval,xforce2,mysxz,intg
sueval,yforce2,mysyz,intg
sueval,zforce2,mysz,intg  

!X、 y、 z方向的内力

sueval,mya,da,sum         !面积
sueval,myya,gcy,intg      !对X轴面积矩
myya=myya/mya            

!重心离X轴的距离        
sueval,myxa,gcx,intg     

!对Y轴的面积矩 
myxa=myxa/mya            

!重心离Y轴的距离
sucalc,szgcy,mysz,mult,gcy
sueval,mx12,szgcy,intg     !X方向弯矩
sucalc,szgcx,mysz,mult,gcx
sueval,my12,szgcx,intg     !Y方向弯矩
!对坐标轴的弯矩换算到截面重心上
mx12=mx12-zforce2*myya  
my12=my12-zforce2*myxa 

以荷载设计值组合1.2恒+1.4风为例，结构的位移云图(mm)以及应力云图(MPa)如下：

三、内筒计算

    内筒按照膨胀节的段数分为四段，由于边界条件以及外部荷载形式相当，本文取两节进行计算，一节是顶部内筒，有风荷载；剩下一节是不考虑风荷载；后续针对不同长度的内筒可以指定长度以为位移数值进行分析。内筒采用壳单元进行模拟，有限元模型如下：

如前所述，考虑位移协调，内筒主除了自身的荷载外，还需考虑外筒的位移荷载。因此，在计算前，应获取每个膨胀节处外筒发生的位移，取最不利工况，并获取相应的最大值施加于内筒上。

内筒前四阶的振型如下：

顶部内筒，考虑风荷载，考虑地震作用的位移云图和应力云图如下：

中间内筒，不考虑风荷载，考虑地震作用的位移云图和应力云图如下：

四、结语

   本文采用ANSYS对四川某地区三管集束式钢内筒烟囱进行了结构计算。主要阐述了结构有限元计算的整体思路、结构风荷载的计算以及加载思路。分别对外筒和内筒的部分结果进行了展示，并提供了ANSYS后处理面操作的基本思路。通过对结果的分析，可以得到结构整体应力的分布规律，以及结构薄弱部位，进而指导实际配筋工作和局部加强工作。

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