基于sap2000的烟囱有限元分析

　　摘要:用sap2000对某电厂的烟囱进行有限元计算分析，说明在烟囱计算时应注意的问题
　　关键词:sap2000，烟囱，有限元分析
　　0引言
　　烟囱是火力发电厂的重要构筑物,属于特种结构,高度高、体量大,荷载作用复杂,随着电力建设事业的发展,钢内筒烟囱得到了越来越广泛的使用,但是应用于此类烟囱设计的专业软件目前还比较少。随着计算机水平的不断发展,国内先后引进了ADINA、MARC、ANSYS、ABAQU、NASTRAN、SAP2000等有限元软件,他们的特点是前后处理功能十分强大,均有十分友好的用户界面,并有与CAD直接转换的接口,能满足广大设计工程师的迫切要求[2]。在与广东院的合作当中，我有幸接触了sap2000软件的学习研究。SAP2000是美国加利福尼亚州CSI(ComputersandStructures,Inc.)公司专门针对结构线性和非线性开发研制的国际通用有限元计算软件。程序中提供了强大的分析功能,不仅囊括了土木工程领域几乎所有的分析类型:静力分析、动力分析、模态分析、反映谱分析等。由于它是一种专门针对结构分析的有限元软件,并且可视化程度高,所以应用起来更加方便、更加人性化[1]。本文通过对一个烟囱实例的计算分析,阐述了如何应用sap2000有限元软件对其进行整体建模、模拟施加荷载的过程,并将其计算结果应用于实际工程中。
　　1工程概况
　　1.1、本工程建（构）筑物设计采用的主要技术数据：
　　抗震设防烈度为7度;设计基本地震加速度值为0.10g;建筑抗震设防类别为乙类;设计地震分组为第一组;建筑场地类别为Ⅱ类;设计使用年限为50年;建筑结构的安全等级为一级;基本风压值为0.60kN/m2(100年一遇);地面粗糙度为B;混凝土结构的环境类别二类
　　1.2、烟囱设计资料：
　　本工程烟囱采用钢筋混凝土套筒烟囱，内筒采用复合钛钢内筒；外筒为钢筋混凝土筒壁,出口外直径10.35m,底座直径20.6m,外筒高205m,筒首壁厚250mm,底部壁厚650mm;钢内筒高度H=210m，出口内径6.8m，夏季极端最高温度38.7℃，冬季极端最低温度-0.3℃，烟气最高使用温度175℃；内外筒之间全高共设5层钢平台;基础采用支承于灌注桩的钢筋混凝土板式基础。烟囱外形图如下。
　　2工程建模
　　传统的套筒式烟囱常用的计算方法是:首先根据工艺条件假定烟囱外筒的立面型式,建立钢筋混凝土外筒受力模型,施加荷载,解出构件内力后验算外筒的强度、刚度和变形,然后根据内外筒连接平台处的位移计算钢内筒的内力,根据外筒的底部内力设计基础,由于此方法采用的是杆系单元模型,不能对筒壁洞口周围的应力进行计算,特别是对筒壁开洞不对称和同一截面洞口超过3个的情况无法计算,而采用通用有限元进行建模分析可以解决上述问题,因此采用通用有限元软件对此类结构进行计算分析是很有必要的[3]。
　　
　　本模型主要分3个部分:混凝土外筒、钢内筒及钢平台,结构计算简图如上
　　所示.混凝土外筒及钢内筒均利用sap2000中的仓储结构模板来建模，很好地解决了烟囱变截面的问题。在设置材料的时候将外筒内筒设为薄板单元；钢平台通过等刚度原则利用4根刚性杆来模拟连接，与混凝土外筒连接为刚接，与钢内筒连接为铰接；因本次计算只计算上部结构，不计算钢筋混凝土板基础，故钢筋混凝土板基础设置为与外界刚接，如需要用到，也可将板基础按实际情况加入模型当中。若有桩基，还可利用线弹簧来模拟（F=kx，K可根据试桩报告获得）。按实际情况将环形加劲肋加入模型，模型完成。
　　3工程加载
　　烟囱上的荷载可分为永久荷载和可变荷载两类,永久荷载包括结构自重、固定设备重等;可变荷载包括风荷载、平台上活荷载、安装检修荷载、地震作用、温度作用及由风荷载、日照及基础倾斜引起的筒身自重对任意截面产生的附加弯矩,其中安装检修荷载包括施工吊装设备重量、起吊重量和平台上的施工荷载.
　　在Sap2000程序里，除了结构自重是程序默认计算之外，其余荷载均需人工输入。地震荷载采用sap2000提供的反应谱函数输入，风荷载也采用程序提供的风力作用面来自于面对象，通过输入体型系数，让程序自动计算风荷载。
　　4计算结果
　　由荷载规范可知，对于烟囱来说，起控制作用的组合是风荷载组合。计算的主要结果为：周期为2.32s，顶部位移为393mm，底部地震力为7783KN。洞口及连接内外筒的刚性杆处应力较大，加劲肋杆件应力比也满足要求。所以本工程可认为所采用的构件尺寸大小均满足要求。如图所示。
　　在后期计算当中，我们发现，将钢内筒的厚度减少之后，除了顶部位移发生较大变化外，其余参数变化不大，但顶部位移仍处于可控范围之内。
　　5结论
　　1)通过对SAP2000分析功能的介绍以及利用其软件应用于电厂烟囱结构的计算,说明SAP2000是结构分析方面比较成熟和方便的有限元软件,将该软件应用与电厂烟囱结构设计中,将能达到事半功倍的效果。
　　2）由于烟囱结构复杂,需要对烟囱进行一些的简化处理,因此可能会造成烟囱某些受力的关键部位得不到准确的结果,这也提醒我们在进行构件简化，假定以及连接时一定要与事实更贴近，这将直接影响到计算结果的可靠度。但是与传统的计算软件相比，sap2000的计算结果无疑更真实可信。
　　3）在对烟囱进行有限元分析的时候,选择合适的计算模型,对的连接以及假定必将对结构较传统而言有很大的进步，从而可以优化烟囱结构，产生较大的经济效益。以上述工程为例，钢内筒的厚度仍然可以减少，以一个梯段1mm厚钢板价值1万计算，保守估计可为工程节省7-10万元，效益相当可观。
　　随着计算机水平和有限元理论的迅速发展,现代的设计方法不断地更新,SAP2000将会在电厂建筑尤其是在特种结构设计中发挥出更大的作用。
　　参考文献:
　　[1]北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2006.
　　[2]彭守拙.水电站设计新进展[M].北京:中国水利水电出版社,2007.
　　[3]江雨声,周雷靖.240m双钢内筒烟囱的有限元分析[J]武汉大学学报(工学版)2008,7.