中羊是设 工程 — ——●●———ｒ技术 自立式钢脱硫塔烟囱的风简裁 计算及相关设计 ■胡永骁 冶金行业中的烟囱有多种形式，根据其功能可分为高 炉的放散烟囱、工业炉烟囱、通风除尘烟囱等等。根据所 采用的材料可分为砖烟囱、钢筋混凝土烟囱、钢烟囱，其 中钢烟囱根据其结构型式的不同，又分为三种：塔架式、 拉索式、自立式烟囱。各种烟囱的设计虽有其共性部分， 但由于其功能要求、材料和结构形式的差异，每种烟囱的 设计均有其自身的特点。本文通过程潮铁矿球团厂烟气脱 硫工程实例，介绍了自立式钢脱硫塔的相关计算分析。 一、工程概况 程潮铁矿球团厂烟气脱硫工程项目是对球团厂烧结 机烟气进行ｓｏ 脱除处理，消减ｓｏ 排放总量，减少ｓｏ 对空气的污染。该项目采用石灰石一石膏石脱硫系统， 烟气量为３５万标ｍ。／ｈ，烟气温度１ ５０ｏＣ／５０ｏＣ，含水量 ４．３５％，烟气中ｓｏ 浓度为３９１ ２ｍｇ／Ｎｍ。（干态），脱硫 后ＳＯ，浓度Ｊｊ＼￣ｌ ００ｍｇ／Ｎｍ。，脱硫效率达￣ｆＪ９７．５％。该烟 气脱硫工程位于鄂州市程潮铁矿球团厂厂区内，主要建、 构筑物为脱硫综合楼及石膏库、脱硫塔、事故浆液箱、烟 道支架等。 二、钢脱硫塔的核算要点 自立式钢脱硫塔由于是悬臂构件，塔底部受力最大， 因此合理的结构形式是上小下大的截头圆锥形以及由此演 变的其他形式（见图１）。 ｛瞳头腭雏膨 （ Ｉ盖蔷落段 ‘龆嚣器曩 图１自立式钢烟囱的形式图 １５８ 图２本工程钢脱硫塔形式 按工艺专业要求，本工程采用带过渡段圆筒外形（见 图２），钢材采用Ｑ２３５一Ｂ。脱硫塔底部标高４－０．０００ｍ， 总高８０ｍ，第一段从０．０００ｍ～１ １．７００ｍ，外径为８．２ｍ， 为浆液区；第二段从１１．７００ｍ～３ １．Ｏ２０ｍ，外径为 ６．５ｍ，其中过渡段１ １．７００ｍ一１６．５２０ｍ布置烟气入口， 直筒段１６．５２０ｍ一３１．０２０ｍ为吸收区，布置三层喷淋层 和两层除雾器 第三段从３１．０２０ｍ一８０．０００ｍ，外径为 ３．４ｍ，为钢烟囱部分。脱硫塔全高设置玻璃鳞片树脂防 腐内衬。 自立式钢脱硫塔所受荷载与作用主要包括永久荷载 （包括自重、设备重等）、可变荷载与作用（包括风荷 载、液体压力、烟气温度作用、平台检修荷载等）和地震 作用等。由于钢烟囱自重比混凝土烟囱和砖烟囱小得多， 地震力比较小，一般情况下风荷载所产生的效应远大于地 震作用，风荷载起控制作用 由于钢烟囱结构阻尼较其他 材质烟囱要小得多，发生横向风振时结构动力响应很大， 除了顺风向风荷载起控制作用外，有时横风向风振也起控 制作用。可见，风荷载是主要的可变荷载，对自立式钢脱 硫塔烟囱的计算复核，不仅要考虑顺风向风荷载效应．还 要考虑横风向风振效应。 三、风荷载计算 １．顺风向风荷载计算 《建筑结构荷载规范》（２００６年版）７．４．１条规定， 对于高度大于３０ｍＪ￣高宽比大于１．５的房屋和基本自振周 期Ｔ１大于０．２５ｓ的各种高耸结构以及大跨度屋盖结构，均 应考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影口向（注：由于 本工程建设时期《建筑结构荷载规范》ＧＢ ５０００９—２０１ ２ 尚未实施，风荷载计算依据ＧＢ ５０００９—２００１《建筑结构 荷载规范》（２００６年版）执行）。 风荷载计算￣＝－ｔ： ＝层 通过结构分析软件ＳＰＡ２０００有限元建模计算，得到 结构第１自振周期： ＝０．７９２７ｓ＞０：２５ｓ，应验算顺风向风振影响。 高度ｚ处的风振系数： ～ 尻：１＋ 式中： 一脉动增大系数 一脉动影响系数 他一振型系数，仅考虑第一振型 一风压高度变化系数 本工程所在地５０年一遇基本风压值为０．３５ｋＮ／ｍ ，地 面粗糙度为Ｂ类，计算结果见表１。 丹段 高度 高度变 化系数 风荷载体 型系数 Ｅ 脉动影 振型系数 ３１ ｚ ｗｋ（ＫＮ／ Ｐｋ 号 ｆｍｌ 响幕数ｖ ｍ ） （ＫＮ） ｕ Ｚ ８ ８０ ９５ ０ ８９ ２ ０６４ ０ ８９ １ ９４２ １ １８ ４０１． Ｊ７ ２ ０８４ １ ７７ ０ ８９ ２ ０６４ ０ ８９ ０ ５８８ Ｉ ６１０ Ｏ ８９ １ ６７ ０８９ ２ ０６４ ０ ８９ ０ ４０８ Ｉ ４４９ ０ ７５ ０ ８５ ２ ０６４ ０ ８８ ０ ３１９ １ ３７６ ０ ６４ ０ ８５ ２ ０６４ Ｏ ８９ ０１８７ １ ２４２ ０ ５２ １ ２５ Ｏ８５ ＯＯｇＯ １１３２ ０ ８５ ２ ０６４ ０ ８９ ０ ３１ 表１顺风向风荷栽计算参数及结果 ２．横风向振动产生的原因 当风以一定速度吹向圆形截面物体时，风在圆形物体 背后的两侧周期性交替地形成旋涡并以相当确定的频率从 简体表面上脱落，在尾流中有规律地交错排列成两行，形 成卡门漩涡（见图３）。漩涡的出现导致圆形物体发生垂 直于风向的横向振动，也称风的诱发振动。在何种情况下 产生漩涡与物体的外形尺寸、风速等有关，可以在雷诺数 上得到综合反应。当漩涡脱落的频率等于或接近于任一振 工 型的固有频率时，便会引起物体的共振。横向风振根据雷 诺数的大小可以分成三个不同的阶段：当Ｒｅ＜３×１０５范 围内即亚临界范围，漩涡形成有规则，并作周期型脱落； 当３×１Ｏ５≤Ｒｅ＜３ Ｘ １Ｏ６范围内即超临界范围，漩涡为不 规则运动；当Ｒｅ＞３×１０６范围内即跨临界范围，漩涡又 逐步变得有规则运动起来，出现周期的确定性振动。 ，一 。 ：《… 躬ｔｒ 图３旋涡脱落与雷诺数 ３ 横风向风振的校核 （１）根据《建筑结构荷载规范》第７．６．１条 临界风速 最＝ ４５ 结构顶部风速 Ｖｊ】ｒ＝ ：．１ｌ ２０００ｘ￣ｘ１ ２５ ０．３５—３３．…… １ ，ｓ 则，雷诺数Ｒ ＝６９０００ｖ＝Ｄ＝５ ０３ｘ１０ ＞３ ５ｘ１０ 且１．２ ＝３９．７ｍｌ ＞ ＝２１ ４５ｍ／ｓ 由此判断，可发生跨临界的强风共振： （２）根据《烟囱设计规范》ＧＢ５００５１—２００２第５．２．４ 条，对于第１振型横风向风振，当烟囱顶端设计风压值 ∞ｈ，满足（５．２．４—１）式时，烟囱承载能力极限状态仍 由顺风向设计风压控制，否则，横向风振起控制作用： 蒜＝ ＝０．２８８ 虬 鲥 ７９ ＞ －１＿１８ｋＮ／ 不满足规范式 （５．２＿４—１）要求 “１５９—