摘要:用sap2000對某電廠的煙囪進(jìn)行有限元計(jì)算分析，說明在煙囪計(jì)算時應(yīng)注意的問題
　　關(guān)鍵詞:sap2000，煙囪，有限元分析
　　0引言
　　煙囪是火力發(fā)電廠的重要構(gòu)筑物,屬于特種結(jié)構(gòu),高度高、體量大,荷載作用復(fù)雜,隨著電力建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,鋼內(nèi)筒煙囪得到了越來越廣泛的使用,但是應(yīng)用于此類煙囪設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件目前還比較少。隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷發(fā)展,國內(nèi)先后引進(jìn)了ADINA、MARC、ANSYS、ABAQU、NASTRAN、SAP2000等有限元軟件,他們的特點(diǎn)是前后處理功能十分強(qiáng)大,均有十分友好的用戶界面,并有與CAD直接轉(zhuǎn)換的接口,能滿足廣大設(shè)計(jì)工程師的迫切要求[2]。在與廣東院的合作當(dāng)中，我有幸接觸了sap2000軟件的學(xué)習(xí)研究。SAP2000是美國加利福尼亞州CSI(ComputersandStructures,Inc.)公司專門針對結(jié)構(gòu)線性和非線性開發(fā)研制的國際通用有限元計(jì)算軟件。程序中提供了強(qiáng)大的分析功能,不僅囊括了土木工程領(lǐng)域幾乎所有的分析類型:靜力分析、動力分析、模態(tài)分析、反映譜分析等。由于它是一種專門針對結(jié)構(gòu)分析的有限元軟件,并且可視化程度高,所以應(yīng)用起來更加方便、更加人性化[1]。本文通過對一個煙囪實(shí)例的計(jì)算分析,闡述了如何應(yīng)用sap2000有限元軟件對其進(jìn)行整體建模、模擬施加荷載的過程,并將其計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程中。
　　1工程概況
　　1.1、本工程建（構(gòu)）筑物設(shè)計(jì)采用的主要技術(shù)數(shù)據(jù)：
　　抗震設(shè)防烈度為7度;設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g;建筑抗震設(shè)防類別為乙類;設(shè)計(jì)地震分組為第一組;建筑場地類別為Ⅱ類;設(shè)計(jì)使用年限為50年;建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為一級;基本風(fēng)壓值為0.60kN/m2(100年一遇);地面粗糙度為B;混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別二類
　　1.2、煙囪設(shè)計(jì)資料：
　　本工程煙囪采用鋼筋混凝土套筒煙囪，內(nèi)筒采用復(fù)合鈦鋼內(nèi)筒；外筒為鋼筋混凝土筒壁,出口外直徑10.35m,底座直徑20.6m,外筒高205m,筒首壁厚250mm,底部壁厚650mm;鋼內(nèi)筒高度H=210m，出口內(nèi)徑6.8m，夏季極端最高溫度38.7℃，冬季極端最低溫度-0.3℃，煙氣最高使用溫度175℃；內(nèi)外筒之間全高共設(shè)5層鋼平臺;基礎(chǔ)采用支承于灌注樁的鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)。煙囪外形圖如下。
　　2工程建模
　　傳統(tǒng)的套筒式煙囪常用的計(jì)算方法是:首先根據(jù)工藝條件假定煙囪外筒的立面型式,建立鋼筋混凝土外筒受力模型,施加荷載,解出構(gòu)件內(nèi)力后驗(yàn)算外筒的強(qiáng)度、剛度和變形,然后根據(jù)內(nèi)外筒連接平臺處的位移計(jì)算鋼內(nèi)筒的內(nèi)力,根據(jù)外筒的底部內(nèi)力設(shè)計(jì)基礎(chǔ),由于此方法采用的是桿系單元模型,不能對筒壁洞口周圍的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,特別是對筒壁開洞不對稱和同一截面洞口超過3個的情況無法計(jì)算,而采用通用有限元進(jìn)行建模分析可以解決上述問題,因此采用通用有限元軟件對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析是很有必要的[3]。
　　
　　本模型主要分3個部分:混凝土外筒、鋼內(nèi)筒及鋼平臺,結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖如上
　　所示.混凝土外筒及鋼內(nèi)筒均利用sap2000中的倉儲結(jié)構(gòu)模板來建模，很好地解決了煙囪變截面的問題。在設(shè)置材料的時候?qū)⑼馔矁?nèi)筒設(shè)為薄板單元；鋼平臺通過等剛度原則利用4根剛性桿來模擬連接，與混凝土外筒連接為剛接，與鋼內(nèi)筒連接為鉸接；因本次計(jì)算只計(jì)算上部結(jié)構(gòu)，不計(jì)算鋼筋混凝土板基礎(chǔ)，故鋼筋混凝土板基礎(chǔ)設(shè)置為與外界剛接，如需要用到，也可將板基礎(chǔ)按實(shí)際情況加入模型當(dāng)中。若有樁基，還可利用線彈簧來模擬（F=kx，K可根據(jù)試樁報(bào)告獲得）。按實(shí)際情況將環(huán)形加勁肋加入模型，模型完成。
　　3工程加載
　　煙囪上的荷載可分為永久荷載和可變荷載兩類,永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、固定設(shè)備重等;可變荷載包括風(fēng)荷載、平臺上活荷載、安裝檢修荷載、地震作用、溫度作用及由風(fēng)荷載、日照及基礎(chǔ)傾斜引起的筒身自重對任意截面產(chǎn)生的附加彎矩,其中安裝檢修荷載包括施工吊裝設(shè)備重量、起吊重量和平臺上的施工荷載.
　　在Sap2000程序里，除了結(jié)構(gòu)自重是程序默認(rèn)計(jì)算之外，其余荷載均需人工輸入。地震荷載采用sap2000提供的反應(yīng)譜函數(shù)輸入，風(fēng)荷載也采用程序提供的風(fēng)力作用面來自于面對象，通過輸入體型系數(shù)，讓程序自動計(jì)算風(fēng)荷載。
　　4計(jì)算結(jié)果
　　由荷載規(guī)范可知，對于煙囪來說，起控制作用的組合是風(fēng)荷載組合。計(jì)算的主要結(jié)果為：周期為2.32s，頂部位移為393mm，底部地震力為7783KN。洞口及連接內(nèi)外筒的剛性桿處應(yīng)力較大，加勁肋桿件應(yīng)力比也滿足要求。所以本工程可認(rèn)為所采用的構(gòu)件尺寸大小均滿足要求。如圖所示。
　　在后期計(jì)算當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)，將鋼內(nèi)筒的厚度減少之后，除了頂部位移發(fā)生較大變化外，其余參數(shù)變化不大，但頂部位移仍處于可控范圍之內(nèi)。
　　5結(jié)論
　　1)通過對SAP2000分析功能的介紹以及利用其軟件應(yīng)用于電廠煙囪結(jié)構(gòu)的計(jì)算,說明SAP2000是結(jié)構(gòu)分析方面比較成熟和方便的有限元軟件,將該軟件應(yīng)用與電廠煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,將能達(dá)到事半功倍的效果。
　　2）由于煙囪結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要對煙囪進(jìn)行一些的簡化處理,因此可能會造成煙囪某些受力的關(guān)鍵部位得不到準(zhǔn)確的結(jié)果,這也提醒我們在進(jìn)行構(gòu)件簡化，假定以及連接時一定要與事實(shí)更貼近，這將直接影響到計(jì)算結(jié)果的可靠度。但是與傳統(tǒng)的計(jì)算軟件相比，sap2000的計(jì)算結(jié)果無疑更真實(shí)可信。
　　3）在對煙囪進(jìn)行有限元分析的時候,選擇合適的計(jì)算模型,對的連接以及假定必將對結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)而言有很大的進(jìn)步，從而可以優(yōu)化煙囪結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。以上述工程為例，鋼內(nèi)筒的厚度仍然可以減少，以一個梯段1mm厚鋼板價(jià)值1萬計(jì)算，保守估計(jì)可為工程節(jié)省7-10萬元，效益相當(dāng)可觀。
　　隨著計(jì)算機(jī)水平和有限元理論的迅速發(fā)展,現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法不斷地更新,SAP2000將會在電廠建筑尤其是在特種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮出更大的作用。
　　參考文獻(xiàn):
　　[1]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2006.
　　[2]彭守拙.水電站設(shè)計(jì)新進(jìn)展[M].北京:中國水利水電出版社,2007.
　　[3]江雨聲,周雷靖.240m雙鋼內(nèi)筒煙囪的有限元分析[J]武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)2008,7.