煙囪是工業(yè)與民用建筑中不可或缺的構(gòu)筑物，屬于土建特種結(jié)構(gòu)，在電廠建筑中是一項(xiàng)重要的標(biāo)志性建筑。多管式煙囪是目前國際上通用的一種電廠煙囪形式。其主要優(yōu)點(diǎn)在于煙氣流速穩(wěn)定，煙氣擴(kuò)散效果好，便于維護(hù)檢修，同時(shí)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力較小，可避免鋼筋混凝土外筒出現(xiàn)裂縫和腐蝕，進(jìn)而提高電廠煙囪的整體耐久性能。
本案例以四川某地區(qū)三管集束式鋼內(nèi)筒煙囪為例，探討了ANSYS在其內(nèi)力計(jì)算中的應(yīng)用。該項(xiàng)目所在地基本風(fēng)壓為0.37KN/m2，六度設(shè)防，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為二類。該煙囪總高176m,在標(biāo)高35.25、54.10、90.68、138.83、175.10分別設(shè)置檢修平臺(tái)。外筒采用鋼筋混凝土，混凝土強(qiáng)度為C35,鋼筋HRB400，內(nèi)筒采用玻璃鋼，結(jié)構(gòu)典型平面如下：
該結(jié)構(gòu)有限元分析的整體思路是將鋼筋混凝土外筒與玻璃鋼內(nèi)筒分開計(jì)算。首先計(jì)算鋼筋混凝土外筒，不考慮內(nèi)筒抗彎剛度的影響但在進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)應(yīng)該將內(nèi)筒質(zhì)量作為附加參震質(zhì)量；其次進(jìn)行內(nèi)筒計(jì)算，考慮在每個(gè)平臺(tái)處外筒和內(nèi)筒位移協(xié)調(diào)，將外筒位移附加在內(nèi)筒上進(jìn)行內(nèi)筒計(jì)算。
本次外筒建模主要采用實(shí)體單元solid185以及表面效應(yīng)單元surf154,內(nèi)筒建模主要采用shell63。外筒結(jié)構(gòu)模型如下所示：
一、外筒荷載計(jì)算
恒載：恒載部分除了外筒本身的自重外，還包括平臺(tái)的自重以及內(nèi)容傳來的自重。平臺(tái)自重一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，此處取3KN/m2。
活荷載：活荷載主要考慮平臺(tái)，此處根據(jù)相關(guān)規(guī)范，除頂部平臺(tái)取7KN/m2外，其他平臺(tái)皆取3KN/m2。
注意，在計(jì)算荷載的過程中，需要將各個(gè)平臺(tái)的荷載手動(dòng)導(dǎo)算到外筒筒壁上。
風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓取0.37 KN/m2，地面粗糙類取B。根據(jù)規(guī)范5.2.4，坡度大于2%，故可不進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)振驗(yàn)算。計(jì)算過程如下：
二、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性
結(jié)構(gòu)前六階的自振頻率如下：
振型圖如下：
二、外筒計(jì)算結(jié)果
注意此結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算中除了需要考慮橫向地震外，根據(jù)我國抗震規(guī)范，還需進(jìn)行豎向地震計(jì)算，同時(shí)，應(yīng)打開大變形開關(guān)以考慮二階效應(yīng)，本次工況組合如下：
荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合
1.0恒+1.0風(fēng)
1.0重力荷載標(biāo)準(zhǔn)+0.2風(fēng)+1.0水平-0.4豎向
1.0重力荷載標(biāo)準(zhǔn)+0.2風(fēng)+1.0水平+0.4豎向
1.0重力荷載標(biāo)準(zhǔn)+0.2風(fēng)+10.4水平-1豎向
1.0重力荷載標(biāo)準(zhǔn)+0.2風(fēng)+0.4水平+1豎向
荷載設(shè)計(jì)值組合
1.0 恒+1.4風(fēng)
1.2恒+1.4風(fēng)
1.2恒+0.28風(fēng)
由于是實(shí)體單元建模，在結(jié)構(gòu)內(nèi)力查看過程中需要用到面操作，本次計(jì)算典型的面操作命令流如下：
wpcsys,-1
!查看內(nèi)力截面出的坐標(biāo)
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
!將節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果投影到面上
sueval,xforce2,mysxz,intg
sueval,yforce2,mysyz,intg
sueval,zforce2,mysz,intg
!X、 y、 z方向的內(nèi)力
sueval,mya,da,sum???????? !面積
sueval,myya,gcy,intg????? !對(duì)X軸面積矩
myya=myya/mya
!重心離X軸的距離
sueval,myxa,gcx,intg
!對(duì)Y軸的面積矩
myxa=myxa/mya
!重心離Y軸的距離
sucalc,szgcy,mysz,mult,gcy
sueval,mx12,szgcy,intg???? !X方向彎矩
sucalc,szgcx,mysz,mult,gcx
sueval,my12,szgcx,intg???? !Y方向彎矩
!對(duì)坐標(biāo)軸的彎矩?fù)Q算到截面重心上
mx12=mx12-zforce2*myya
my12=my12-zforce2*myxa
以荷載設(shè)計(jì)值組合1.2恒+1.4風(fēng)為例，結(jié)構(gòu)的位移云圖(mm)以及應(yīng)力云圖(MPa)如下：
三、內(nèi)筒計(jì)算
內(nèi)筒按照膨脹節(jié)的段數(shù)分為四段，由于邊界條件以及外部荷載形式相當(dāng)，本文取兩節(jié)進(jìn)行計(jì)算，一節(jié)是頂部?jī)?nèi)筒，有風(fēng)荷載；剩下一節(jié)是不考慮風(fēng)荷載；后續(xù)針對(duì)不同長(zhǎng)度的內(nèi)筒可以指定長(zhǎng)度以為位移數(shù)值進(jìn)行分析。內(nèi)筒采用殼單元進(jìn)行模擬，有限元模型如下：
如前所述，考慮位移協(xié)調(diào)，內(nèi)筒主除了自身的荷載外，還需考慮外筒的位移荷載。因此，在計(jì)算前，應(yīng)獲取每個(gè)膨脹節(jié)處外筒發(fā)生的位移，取最不利工況，并獲取相應(yīng)的最大值施加于內(nèi)筒上。
內(nèi)筒前四階的振型如下：
頂部?jī)?nèi)筒，考慮風(fēng)荷載，考慮地震作用的位移云圖和應(yīng)力云圖如下：
中間內(nèi)筒，不考慮風(fēng)荷載，考慮地震作用的位移云圖和應(yīng)力云圖如下：
四、結(jié)語
本文采用ANSYS對(duì)四川某地區(qū)三管集束式鋼內(nèi)筒煙囪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算。主要闡述了結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的整體思路、結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的計(jì)算以及加載思路。分別對(duì)外筒和內(nèi)筒的部分結(jié)果進(jìn)行了展示，并提供了ANSYS后處理面操作的基本思路。通過對(duì)結(jié)果的分析，可以得到結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力的分布規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)薄弱部位，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際配筋工作和局部加強(qiáng)工作。
