自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法技术

本发明专利技术公开了自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法，属于结构工程技术领域。本发明专利技术提供了一种自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法，使用此方法设计自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构时，可在保证烟囱筒体结构可靠的前提下，尽可能降低烟囱筒体结构的耗材，降低其制作成本，因此，本发明专利技术的一种自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法在设计自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构方面有极高的应用前景。

Design method of self supporting steel chimney under wind load

【技术实现步骤摘要】
自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法
本专利技术涉及自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法，属于结构工程

技术介绍
火电、钢铁、冶金等领域应用广泛的自立式圆形截面烟囱属于高耸结构，是典型的风敏感结构。风荷载是其结构设计的主要控制荷载之一。风荷载导致的烟囱等加劲圆柱壳结构破坏事故在实际工程中时有发生，其中加劲圆柱壳失稳是导致破坏的主要原因。国内大部分钢烟囱制造厂商的结构设计大多按照《烟囱设计规范》(GB50051-2013)并依据已有经验，但是由于风荷载作用形式相当复杂，现行的相关技术标准未对风荷载作用下烟囱筒体产生的最大拉、压应力给出明确的定量计算条款，使得风荷载作用下的烟囱筒体结构设计主要还是遵循相对粗略的理论计算和既有经验。这一方面会导致某些特殊情况下无法保证烟囱结构的安全性；另一方面会导致烟囱结构设计材料利用率低，不够经济。因此，如何在保证烟囱筒体结构可靠的前提下，尽可能降低其制作成本是自立式钢烟囱生产企业关注的焦点。
技术实现思路
[技术问题]本专利技术要解决的技术问题是提供一种自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构的结构设计方法。[技术方案]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法，所述方法包含如下步骤：步骤一：根据需设计自立式钢烟囱的筒体高度H、半径R和自立式钢烟囱建造地域的自然风荷载水平，初步试设计烟囱筒体壁厚为t，确定筒体高径比H/R和径厚比R/t；根据筒体高度H、高径比H/R和径厚比R/t得到筒体底部环向焊缝高度处最大竖向压应力修正系数α和筒体底部环向焊缝高度处竖向屈曲临界压应力σFEM,cr的值，或者，根据筒体高度H、高径比H/R和径厚比R/t得到筒体最底部最大竖向拉应力修正系数β的数值；若根据筒体高度H、高径比H/R和径厚比R/t得到的是修正系数α和竖向屈曲临界压应力σFEM,cr的值，则表明该体型的自立式钢烟囱发生失稳破坏，需控制最底部环向焊缝高度处最大受压应力不超过屈曲临界压应力；若根据筒体高度H、高径比H/R和径厚比R/t得到的是修正系数β的数值，则表明该体型的自立式钢烟囱发生强度破坏，需验算控制底部最大受拉应力不超过钢材强度设计值(对一个构造确定的烟囱筒体，在静力风荷载作用下其破坏形式是唯一确定的，故仅需控制一种破坏形式)；步骤二：当自立式钢烟囱发生失稳破坏时，根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)和《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018)计算得到自立式钢烟囱所承受的风荷载设计值Sd、风荷载作用产生最底部环向焊缝高度处绕Y轴的弯距值M2500；根据风荷载作用下最底部环向焊缝高度处绕Y轴的弯距值M2500按照悬臂受弯构件理论计算得到烟囱筒体最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力理论解将烟囱筒体最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力理论解乘以压应力修正系数α计算得到风荷载作用下烟囱筒体最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力σ并控制其不超过受压屈曲临界应力σFEM,cr；风荷载设计值Sd的计算公式如下：式中，Ψ为风荷载的分项系数，按照《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018)对于可变荷载(活荷载及风、雪荷载等)计算时应取Ψ＝1.5；为静力风荷载标准值，单位为N/mm2；最底部环向焊缝高度处绕Y轴的弯距值M2500的计算公式如下：式中，M2500为风荷载作用设计值导致的筒体高度为h1＝2500m截面处(最底部环向焊缝高度处)绕Y轴的弯距值，单位为N·mm；H为烟囱总高度，单位为mm；R为烟囱筒体中面半径，单位为mm；z为烟囱沿高度方向任意一截面至底部的竖向距离，单位为mm；为烟囱筒体水平截面上任一点与过风方向的环向夹角，单位为弧度，定义为迎风子午线角度，为背风子午线角度；静力风荷载标准值的计算公式如下：式中，βz(z)为风振系数，对于圆筒形结构是高度z的函数；μz(z)为风压高度变化系数，对于圆筒形结构是高度z的函数，与烟囱周边建筑和构筑物密集程度有关；为风荷载体型系数，对于圆筒形结构在确定的高度位置是计算位置与过风环向角度的函数；w0为基本风压，由工程建设所在地决定，单位为N/mm2(以上参数均根据《建筑结构荷载规范》计算取值，其变量主要包括圆柱壳筒体的总高度、体型及所处场地)；风荷载作用下烟囱筒体最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力理论解的计算公式如下：式中，为最底部环向焊缝高度处按照悬臂受弯构件理论求得的最大竖向压应力理论解，单位为N/mm2，以压应力为正值；I为筒体圆形截面关于Y轴的惯性矩，I＝π[(2R+t)4-(2R-t)4]/64，单位为mm4；t为筒体壁厚，单位为mm；风荷载作用下烟囱筒体最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力σ的计算公式如下：式中，σ为最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力，单位为N/mm2，以压应力为正值；α为最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力修正系数；σFEM,cr为用非线性有限元方法计算得到的最底部环向焊缝高度处屈曲临界压应力；当自立式钢烟囱发生强度破坏时，根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)和《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018)计算得到自立式钢烟囱所承受的风荷载设计值Sd、风荷载作用产生最底部截面处绕Y轴的弯距值M0；根据风荷载作用下最底部截面处绕Y轴的弯距值M0按照悬臂受弯构件理论计算得到烟囱筒体最底部最大竖向拉应力理论解将烟囱筒体最底部最大竖向拉应力理论解乘以拉应力修正系数β计算得到风荷载作用下烟囱筒体最底部最大竖向拉应力σ′并控制其不超过烟囱制作钢材强度设计值f；最底部截面处绕Y轴的弯距值M0的计算公式如下：式中，M0为风荷载设计值作用导致的烟囱最底部截面处绕Y轴的弯距值，单位为N·mm；风荷载作用下烟囱筒体最底部最大竖向拉应力理论解的计算公式如下：式中，为筒体最底部截面处按照悬臂受弯构件理论求得的最大竖向拉应力理论解答，单位为N/mm2，以拉应力为正值；风荷载作用下烟囱筒体最底部最大竖向拉应力σ′的计算公式如下：式中，σ′为最底部最大竖向拉应力，单位为N/mm2，以拉应力为正值；β为筒体最底部最大竖向拉应力修正系数；f为钢材的强度设计值，单位为N/mm2，由烟囱制作钢材牌号按照《钢结构设计标准》取值，对于Q345结构钢材，当t≤16mm时，取f＝310N/mm2；当16mm<t≤35mm时，取f＝295N/mm2(本专利技术不考虑t>35mm的情况)；步骤三：当自立式钢烟囱发生失稳破坏时，发生失稳破坏的烟囱计算所得σ要求不超过σFEM,cr，且不富余过多，这样的结构合理；若σ大于σFEM,cr，则表明筒体壁厚设计过小，会发生失稳破坏，需要加大壁厚，然后重复步骤一到步骤二重新验算是否满足σ≤σFEM,cr或满足σ′≤f；若σ小于σFEM,cr过多，则表明筒体壁厚设计过大，承载力过于富余本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：/n步骤一：根据需设计自立式钢烟囱的筒体高度H、半径R和自立式钢烟囱建造地域的自然风荷载水平，初步试设计烟囱筒体壁厚为t，确定筒体高径比H/R和径厚比R/t；根据筒体高度H、高径比H/R和径厚比R/t得到筒体底部环向焊缝高度处最大竖向压应力修正系数α和筒体底部环向焊缝高度处竖向屈曲临界压应力σ

【技术特征摘要】
1.一种自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：
步骤一：根据需设计自立式钢烟囱的筒体高度H、半径R和自立式钢烟囱建造地域的自然风荷载水平，初步试设计烟囱筒体壁厚为t，确定筒体高径比H/R和径厚比R/t；根据筒体高度H、高径比H/R和径厚比R/t得到筒体底部环向焊缝高度处最大竖向压应力修正系数α和筒体底部环向焊缝高度处竖向屈曲临界压应力σFEM,cr的值，或者，根据筒体高度H、高径比H/R和径厚比R/t得到筒体最底部最大竖向拉应力修正系数β的数值；若根据筒体高度H、高径比H/R和径厚比R/t得到的是修正系数α和竖向屈曲临界压应力σFEM,cr的值，则表明该体型的自立式钢烟囱发生失稳破坏，需控制最底部环向焊缝高度处最大受压应力不超过屈曲临界压应力；若根据筒体高度H、高径比H/R和径厚比R/t得到的是修正系数β的数值，则表明该体型的自立式钢烟囱发生强度破坏，需验算控制底部最大受拉应力不超过钢材强度设计值；
步骤二：当自立式钢烟囱发生失稳破坏时，计算得到自立式钢烟囱所承受的风荷载设计值Sd、风荷载作用产生最底部环向焊缝高度处绕Y轴的弯距值M2500；根据风荷载作用下最底部环向焊缝高度处绕Y轴的弯距值M2500按照悬臂受弯构件理论计算得到烟囱筒体最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力理论解将烟囱筒体最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力理论解乘以压应力修正系数α计算得到风荷载作用下烟囱筒体最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力σ并控制其不超过受压屈曲临界应力σFEM,cr；
当自立式钢烟囱发生强度破坏时，计算得到自立式钢烟囱所承受的风荷载设计值Sd、风荷载作用产生最底部截面处绕Y轴的弯距值M0；根据风荷载作用下最底部截面处绕Y轴的弯距值M0按照悬臂受弯构件理论计算得到烟囱筒体最底部最大竖向拉应力理论解将烟囱筒体最底部最大竖向拉应力理论解乘以拉应力修正系数β计算得到风荷载作用下烟囱筒体最底部最大竖向拉应力σ′并控制其不超过烟囱制作钢材强度设计值f；
步骤三：当自立式钢烟囱发生失稳破坏时，发生失稳破坏的烟囱计算所得σ要求不超过σFEM,cr，且不富余过多，这样的结构合理；若σ大于σFEM,cr，则表明筒体壁厚设计过小，会发生失稳破坏，需要加大壁厚，然后重复步骤一到步骤二重新验算是否满足σ≤σFEM,cr或满足σ′≤f；若σ小于σFEM,cr过多，则表明筒体壁厚设计过大，承载力过于富余，需要减小筒体壁厚，然后重复步骤一到步骤二重新验算是否满足σ≤σFEM,cr或σ′≤f，确保筒体结构合理；
当自立式钢烟囱发生强度破坏时，发生强度破坏的烟囱计算所得σ′要求不超过f，且不富余过多，这样的结构合理；若σ′＞f，则表明筒体壁厚设计过小，需要加大壁厚，然后重复步骤一到步骤二重新验算是否满足σ′≤f或满足σ≤σFEM,cr；若σ′＜f且富余过多，则表明筒体壁厚设计过大，承载力过于富余，需要减小筒体壁厚，然后重复步骤一到步骤二重新验算是否满足σ′≤f或σ≤σFEM,cr，确保筒体结构合理。


2.如权利要求1所述的一种自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法，其特征在于，风荷载设计值Sd的计算公式如下：



式中，Ψ为风荷载的分项系数，计算时应取Ψ＝1.5；为静力风荷载标准值，单位为N/mm2。


3.如权利要求1或2所述的一种自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法，其特征在于，最底部环向焊缝高度处绕Y轴的弯距值M2500的计算公式如下：



式中，M2500为风荷载设计值作用导致的筒体在高度h1＝2500m截面处绕Y轴的弯距值，单位为N·mm；H为烟囱总高度，单位为mm；R为烟囱筒体中面半径，单位为mm；z为烟囱沿高度方向任意一截面至底部的竖向距离，单位为mm；为烟囱筒体水平截面上任一点与过风方向的环向夹角，单位为弧度，定义为迎风子午线角度，为背风子午线角度；Ψ为风荷载的分项系数；为静力风荷载标准值，单位为N/mm2；
静力风荷载标准值的计算公式如下：



式中，βz(z)为风振系数，对于圆筒形结构是高度z的函数；μz(z)为风压高度变化系数，对于圆筒形结构是高度z的函数；为风荷载体型系数，对于圆筒形结构在确定的高度位置是计算位置与过风环向角度的函数；w0为基本风压，由工程建设所在地决定，单位为N/mm2。


4.如权利要求1-3任一所述的一种自立式钢烟囱在风荷载作用下的筒体结构设计方法，其特征在于，风荷载作用产生烟囱筒体最底部环向焊缝高度处最大竖向压应力理论解的计算公式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：王登峰，赵婧同，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32