学文网摘要：本文通过对某工程排气筒钢结构塔架的具体设计，着重论述了钢结构塔架这一特种结构的设计计算方法，并总结了一定的经验和体会。
关键词：钢结构塔架、设计计算与分析
Abstract: this article through to a project row on steel structure design of this tower, focuses on the steel structure tower the special structure of the design and calculation method, and sums up some experience and experience.
Keywords: steel structure tower, design calculation and analysis
中***分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1. 引言
随着工业建设的迅速发展，工业尾气的排放与城市环境保护之间的矛盾日益突出和尖锐。为了减少或消除工业尾气对城市环境的影响，对工业尾气的高空零污染排放越来越显得关键和紧迫。由此，国家和地方的环保部门对工业尾气的排气筒、尾气燃烧火炬等常见的尾气排放装置均设定了具体的高度要求。为了支撑这些高空的尾气排放装置，使其能安全有效的发挥其作用，钢结构塔架就成了当今工业建筑中一个重要构筑物。它是确保环保达标和保障工业企业连续、稳定和安全生产的必要设施。它的主要功能是给高空尾气排放的排气筒或火炬塔架提供可靠的支撑保障。
2.工程概况
某工程为年产30万吨的硫酸工程，该工程的排气筒直径为1244mm，长度43.76m，重15912kg，筒顶标高60m。排气筒塔架顶标高57.140m。
3. 设计条件
基本风压0.4kN/m2，基本雪压0.3kN/m2；抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为乙类；场地土类型为中软场地土，类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s。
4.设计与计算
4.1设计安全等级
塔架主体结构设计安全等级按一级考虑，抗震等级按乙级采用。
4.2设计方案
塔架平面结构采用正三角形型式；塔架底部尺寸取10m，大致为高度的 左右；塔身共分16个节间，其标高分别为7.340、10.740、14.140、17.540、20.940、23.740、27.040、30.340、33.740、37.040、40.340、43.740、47.040、50.340、53.740、57.140；休息平台和横隔结合设置，分别在7.340、23.740、33.740、43.740、53.740、57.140 共6个标高处设置；梁、柱及支撑等构件均采用角钢，连接方式采用焊接连接。
4.3结构分析模型的建立
塔架结构是较为复杂的空间结构体系，其内力宜按空间结构进行分析，常用的分析软件有SAP84(或SAP2000)、STAADPro等，本工程采用了SAP84软件进行计算分析。进行塔架结构计算分析时，梁、柱构件采用空间梁柱单元，梁柱节点全部采用铰接连接，受力点选在构件节点处，使整个塔架结构形成一空间桁架体系。塔身共有了531个空间梁柱单元、228个节点。
4.4参数的设置
塔架结构设计考虑的荷载或作用主要有恒荷载、活荷载、风荷载和地震作用四大类。恒荷载主要包括塔架本身自重及休息平台、爬梯、栏杆、排气筒、连接管道等的自重。活荷载为休息平台上的操作荷载活雪荷载，两者取较大值。风荷载和地震作用为水平向荷载，对塔身产生水平内力作用。塔架荷载分4个基本工况进行考虑，一般恒荷载为第一工况，活荷载为第二工况，风荷载和地震作用按第三和第四工况考虑（风荷载和地震作用不同时考虑）。恒荷载和活荷载的计算与普通构筑物相同，将荷载导算成节点荷载后，分别在第一工况和第二工况状态下输入SAP84集成环境系统进行计算；计算地震作用时，将抗震设防烈度、基本地震加速度、设防类别和排气筒的附加地震作用等参数输入SAP84集成环境系统进行计算；风荷载计算比较复杂，详见下面的论述。
4.5风荷载的计算
在进行风荷载计算时，分别计算塔架和排气筒及其主要连接管道的挡风面积所引起的风荷载，不考虑相互挡风的影响。
4.5.1塔身风荷载计算
(1) 各层挡风面积A、挡风系数Φ和体型系数μs的计算
考虑节点板的影响，塔体的挡风面积乘以1.1的放大系数。
a. 标高为57.140的层上：
挡风面积：塔柱：0.125x3.4=0.425m2
横杆：0.160x4.0=0.64 m2
斜杆：0.080x5.25=0.42 m2
竖杆：0.080x3.4/2=0.136 m2
爬梯及栏杆：(0.7x4.8+3.0x1.2)x0.4=2.784 m2
挡风面积A=(0.425+0.64+0.42+0.136+2.784)x1.1=4.846 m2
轮廓面积：4.0x3.4/2+3x1.2=10.4 m2
挡风系数：Ф＝ ＝0.47
体型系数：μs＝1.66
b. 其它标高层上的计算过程同上，计算结果见下面的塔架风荷载计算表。
(2) 风压高度变化系数μz，可由《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)查得，结果见下面的塔架风荷载计算表。
(3) 塔架在各高度处的风振系数的计算
a. 标高为57.140的层上：由《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)查得：
ξ＝2.083，ν＝1.83x0.4=0.732，φz=0.92，μz＝1.74
βz＝1+ =1+ =1.806
b. 其它标高层上的计算同上，计算结果见下面的塔架风荷载计算表。
(4) 节点风荷载的计算
ωz＝βzμzμsμrecω0，ω0＝0.4kN/m2，计算结果见下面的塔架风荷载计算表。
4.5.2排气筒风荷载计算
排气筒有标高为57.140、53.740、43.740、33.740、23.740的共5层支撑，各层所承担的风荷载如下：
(1) 标高为57.140的层上：
F=ωkA=βzμzμsω0A＝1.806x1.74x0.6x0.4x1.244x4.8=4.50kN
(2) 标高为53.740的层上：
F=ωkA=βzμzμsω0A＝1.740x1.71x0.6x0.4x1.244x6.7=5.95kN
(3) 标高为43.740的层上：
F=ωkA=βzμzμsω0A＝1.557x1.60x0.6x0.4x1.244x10=7.44kN
(4) 标高为33.740的层上：
F=ωkA=βzμzμsω0A＝1.430x1.47x0.6x0.4x1.244x10=6.28kN
(5) 标高为23.740的层上：
F=ωkA=βzμzμsω0A＝1.267x1.32x0.6x0.4x1.244x11.5=5.74kN
4.5.3塔架风荷载计算表
塔架风荷载计算表
将所计算的各层风荷载分别按如下***所示的①②③三种风向分配到各层相应的节点上，再将各层节点风荷载依次输入到SAP84集成环境系统的第三工况和第四工况进行计算。
5.计算结果与分析
5.1内力计算结果与分析
(1)最大杆件内力
塔柱最大压力为－1005.526kN,出现在第①风向作用时的底层塔柱上；
塔柱最大拉力为＋593.742kN,出现在第②风向作用时的底层塔柱上；
腹杆最大压力为－852.702kN,出现在第③风向作用时的底层腹杆上；
腹杆最大拉力为＋441.847KN,出现在第③风向作用时的底层腹杆上。
地震作用对杆件内力不起控制作用。
(2)最大节点内力
节点最大压力为－175.250kN，出现在第①风向作用时的塔柱柱底节点上；
节点最大拔力为＋97.038kN，出现在第②风向作用时的塔柱柱底节点上。
地震作用时，节点最大压力为－123.610kN，节点最大拔力为＋62.283kN， 不起控制作用。
5.2内力计算结果分析
由上述杆件和节点的最大控制内力可以看出，作为高耸结构的钢结构塔架跟一般建筑物是有所不同的，其杆件的控制内力和柱底节点控制内力都是在水平荷载作用下产生的。风荷载起控制作用时，第①风向作用时塔柱和柱底节点出现最大压力，第②风向作用时塔柱和柱底节点出现最大拉力和拔力，第③风向作用时塔身腹杆出现最大拉力或压力。在风荷载或地震作用下柱底节点一般都会出现比较大的上拔力和水平力，因此，设计塔架基础时应高度重视基础配重和抗拔螺栓承载力的验算，采取切实可行的措施防止塔架结构出现整体倾覆或侧向滑移。
本工程已经建成投产，塔架工作效果良好。
6.结语
通过对排气筒塔架结构的设计和计算结果分析，总结出如下经验与体会：
(1)对平面为正三角形的塔架，一般是第①风向参与组合时塔柱受压内力最大，对塔柱的受压稳定、连接焊缝和基础底面积的大小起控制作用；第②风向参与组合时塔柱受拉内力最大，对塔柱的抗拉强度、连接焊缝、地脚螺栓的抗拔及基础的抗倾覆验算起控制作用；第③风向控制腹杆截面及其连接。
(2)对塔架结构，一般是水平向的风荷载或地震作用起主要作用，而不是重力等竖向荷载起主要作用。因此，在设计基础时应高度重视对基础的抗拔、抗倾覆和抗滑移验算与处理。
(3)塔架高度接近60米，在基本风压和地震作用与本文相当时用角钢所做的塔柱底层已用到最大规格L200X24，若高度超过60米再用角钢做塔柱，底层塔柱不易满足强度或稳定性要求，宜选用圆钢管或其它截面型式。
参考文献
[1]《建筑结构荷载规范》GB50009－2001
[2] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
[3]《高耸结构设计规范》GB50135-2006
[4]《烟囱设计规范》GB50051-2002
[5] 《灵宝市金源矿业有限责任公司12万吨/年硫酸工程场区岩土工程勘察报告(详勘)》三门峡地质工程勘察公司2004年11月11日
注：文章内所有公式及***表请以PDF形式查看。
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