单筒式钢筋混凝土烟囱计算书.doc

单筒式钢筋混凝土烟囱计算书项目名称_构件编号_日期_设 计_校 对_审核_一、设计资料1基本设计资料烟囱总高度H = 50m烟囱顶部内直径D0 = 1.35m烟气温度Tgas = 700.00夏季极端最高温度Tsum = 38.40冬季极端最低温度Twin = -30.40烟囱日照温差T = 20.00基本风压w0 = 0.40kN/m2地面粗糙度: B类空气密度r = 1.25kN/m3烟囱安全等级: 二级环境类别: 一类抗震设防烈度: 7度(0.15g)设计地震分组: 第一组建筑场地土类别: 类筒壁竖向钢筋等级: HRB335筒壁环向钢筋等级: HPB235燃煤含硫量Sar = 0.43%烟道底部标高0.00m混凝土刚度折减系数0.90m2材料信息序号使用部位材料名称最高使用温度()重力密度(kN/m3)导热系数W /(m·K)l = a + b * Tab1筒壁内衬1粘土耐火砖140019.000.9300.000602筒壁内衬2粘土耐火砖140019.000.9300.000603筒壁第一隔热层硅藻土砖9006.000.1400.000234筒壁第二隔热层矿渣棉6002.000.0470.000205筒壁混凝土普通钢筋混凝土15024.001.7400.000506基础环壁内衬粘土耐火砖140019.000.9300.000607基础底板内衬粘土耐火砖140019.000.9300.000608基础环壁隔热层膨胀珍珠岩7501.200.0520.000109基础底板隔热层膨胀珍珠岩7501.200.0520.0001010基础混凝土普通钢筋混凝土20025.001.7400.0005011基础环壁外土层粘土-18.000.5800.0000012基础底板下土层粘土-18.000.5800.000003几何尺寸信息烟囱总截面数: 6筒身代表截面: 截面5烟囱筒身分节参数表(1)No.EliRoRahi内衬厚度内衬材料隔热层1厚度隔热层2厚度筒壁厚度材料总厚度050.001.88-0.11-0.120.100.180.51140.002.081.9810.000.11内衬10.120.100.180.51230.002.282.1810.000.11内衬10.120.100.180.51320.002.482.3810.000.11内衬10.120.100.190.52410.002.682.5810.000.11内衬10.120.100.210.5450.002.882.7810.000.11内衬10.120.100.230.56注: 1. 内衬材料列中“内衬1”为“粘土耐火砖”，“内衬2”为“粘土耐火砖”2. 上表中标高及长度单位为m烟囱筒身分节参数表(2)No.Eli坡度(%)混凝土等级附加重量(kN)洞口大洞口宽度(m)大洞口高度(m)小洞口宽度(m)小洞口高度(m)050.002.00C250.000-140.002.00C250.000-230.002.00C250.000-320.002.00C250.000-410.002.00C250.000-50.002.00C250.000-4基础设计参数基础形式: 圆形基础基础混凝土等级: C30基础钢筋等级: HRB335底板下部配筋形式: 径环向配筋地下烟道: 无基础及其上土平均重度gG = 20.00 kN/m3地基土抗震承载力调整系数za = 1.00基础宽度修正系数hb = 1.00基础埋深修正系数hd = 1.00基础埋深: 3.00m自动计算沉降经验系数基础几何尺寸: 环壁顶部厚度rt = 1.00 mr1 = 4.57mr2 = 3.77mr3 = 2.32mh = 1.50mh1 = 1.00m±0.000相当于绝对标高32.000m天然地面标高32.000m土层参数表No.土层名称底部标高(m)重度(kN/m3)压缩模量(MPa)承载力(kPa)1粘土17.0018.003.40140.002碎石7.0019.0015.00350.00二、计算依据建筑结构荷载规范GB 50009-2001(以下简称“荷载规范”)建筑抗震设计规范GB 50011-2001(以下简称“抗震规范”)烟囱设计规范 GB 50051-2002(以下简称“烟囱规范”)建筑地基基础设计规范GB 50007-2002(以下简称“基础规范”)混凝土结构设计规范GB 50010-2002(以下简称“混凝土规范”)烟囱工程手册(中国计划出版社，2004年7月第1版，以下简称“烟囱手册”)钢筋混凝土烟囱 05G212 (以下简称“烟囱图集”)三、筒身自重计算筒壁内侧挑出牛腿支承内衬和隔热层的重量，因此每节下部重量不包括本节的内衬及隔热层的重量，该重量由下一节来承受。如果存在洞口的话则扣除洞口部位的重量。每节根部自重包括其上面所有分节的自重加上附加重量，每节重量等于本节所有自重加上附加重量。主要应用如下公式: 筒身自重表格(1)No.EliVi(m3)重量(kN)内衬隔热层1隔热层2筒壁内衬隔热层1隔热层2筒壁140.0010.8511.9711.0021.38206.0671.8121.99513.01230.0012.2713.4312.2523.64233.0480.5524.50567.30320.0013.6114.8113.4527.28258.6788.8626.89654.68410.0014.8916.1214.5832.66282.9596.7329.15783.7650.0016.1717.4315.7138.51307.23104.6031.42924.31筒身自重表格(2)No.Eli附加重量(kN)每节根部重量(kN)本节总重量(kN)140.000.00513.01812.87230.000.001380.16905.39320.000.002372.941029.11410.000.003531.131192.6050.000.004864.281367.56注: 截面1的附加重量中已包含了作用在截面0上的附加重量筒身总重量 G = S(每节重量) = 5307.53kN四、筒身温度计算1确定计算方法根据烟囱规范P33第5.6.4条规定，当烟囱筒壁外半径(r2)与内半径(r1)的比值小于1.1时，可采用平壁法计算受热温度，否则应采用环壁法计算受热温度。各截面采用计算方法Elir2r1r2/r1计算方法40.002.081.901.0947平壁法30.002.282.101.0857平壁法20.002.482.291.0830平壁法10.002.682.471.0850平壁法0.002.882.651.0868平壁法2假定初始温度温度计算采用如下计算方法，首先根据经验公式假设各材料的温度t:筒身各层厚度分别为t1、t2、t3、tn总厚度t = t1 + t2 + t3 + tn计算点坐标为x，所以可得: 0点: x = t1点: x = tn + t3 + t22点: x = tn + t33点: x = tn4点: x = 0则可按下式计算各点的初步温度3各点温度计算以上步假定的温度代入烟囱规范P34公式5.6.5求出各点的温度，如果求出的各点温度与假定温度误差超过5%，则以本次求出的温度作为假定温度值，继续代入公式5.6.5中求解，直到二者误差小于5%为止(一般两次就能满足要求)。当验算截面位于烟道底部标高以下时，验算夏季温度时，取烟气温度为夏季极端最高温度+10；验算冬季温度时，取烟气温度为10式中: Tcj - 计算点受热温度() Tg - 烟气温度() Ta - 空气温度() Rtot - 内衬、隔热层、筒壁等总热阻(m2·K/W) Ri - 第i层热阻(m2·K/W)按平壁法计算时，内衬、隔热层和筒壁等的总热阻按下式计算: 式中: t1 - 为内衬的厚度(m) t2 - 第1隔热层的厚度(m) t3 - 第2隔热层的厚度(m) tn - 筒壁混凝土厚度(m)其余符号意义见烟囱规范P35说明，计算l时温度采用平均温度，示意图见下: 按环壁法计算内衬、隔热层和筒壁等各点受热温度时，内衬、隔热层和筒壁等的总热阻按下式计算: 式中: d0 - 内衬内直径(m) d1 - 第1隔热层内直径(m) d2 - 第2隔热层内直径(m) d3 - 筒壁内直径(m) dn - 筒壁外直径(m)4夏、冬季计算温度汇总表夏季计算温度汇总表EliT0()T1()T2()T3()T4()Tp()Ts()验算结果40.00693.16659.58488.83111.4471.4691.4580.35满足30.00693.16659.58488.83111.4471.4691.4580.35满足20.00693.17659.67489.25113.4971.3992.4480.25满足10.00693.20659.83490.08117.5571.2594.4080.07满足0.00693.23659.99490.91121.5971.1296.3579.90满足冬季计算温度汇总表EliT0()T1()T2()T3()T4()Tp()Ts()40.00692.61656.31472.1432.49-11.7510.37-1.9230.00692.61656.31472.1432.49-11.7510.37-1.9220.00692.62656.38472.5534.82-11.7911.52-1.9710.00692.64656.53473.3939.46-11.8513.81-2.080.00692.67656.68474.2344.05-11.9116.07-2.18注: 1、Tp表示筒壁截面的平均温度，Tp = (T3 + T4) / 22、Ts表示钢筋所在位置的温度5材料力学参数汇总表夏季温度作用下材料标准值Eli混凝土竖向钢筋(HRB335)环向钢筋(HPB235)fctkfttkEc(×104)bcEct(×104)fytkEs(×105)fytkEs(×105)40.0013.571.272.800.772.16335.002.00235.002.1030.0013.571.272.800.772.16335.002.00235.002.1020.0013.551.262.800.772.15335.002.00235.002.1010.0013.511.262.800.762.14335.002.00235.002.100.0013.471.252.800.762.13335.002.00235.002.10夏季温度作用下材料设计值Eli混凝土竖向钢筋(HRB335)环向钢筋(HPB235)gctfctgttfttgytfytgytfyt40.001.857.341.500.851.60209.381.60146.8830.001.857.341.500.851.60209.381.60146.8820.001.857.321.500.841.60209.381.60146.8810.001.857.301.500.841.60209.381.60146.880.001.857.281.500.831.60209.381.60146.88注: 强度值和弹性模量的单位均为N/mm2五、动力特征计算烟囱可以简化成具有多个集中质量的多质点振动体系，其连续渐变截面用分段变截面代替，考虑到混凝土开裂等因素对刚度的影响，截面的刚度取质点质心处烟囱截面的刚度的0.90倍，即B = 0.90 EI。求解特征方程，即可得到前5个振型的动力特征值。等效质点计算结果Eli截面惯性矩I(m4)截面刚度B(×107kN·m2)等效质点重量(×103kN)50.003.248.170.4140.004.4611.230.8630.005.9414.970.9720.008.1020.411.1110.0011.2628.391.28各振型相对位移计算结果Eli第一振型(相对值)第二振型(相对值)第三振型(相对值)第四振型(相对值)第五振型(相对值)50.001.00001.00001.0000-0.67300.203840.000.6952-0.0395-0.78411.0000-0.407630.000.4156-0.6131-0.3257-0.95710.770120.000.1919-0.57560.74090.0206-0.996010.000.0495-0.21620.55070.89181.0000各振型自振周期分别为: T1 = 0.8922sT2 = 0.1864sT3 = 0.0743sT4 = 0.0403sT5 = 0.0264s六、风荷载计算1顺风向风压w0 = 0.40kN/m2时风荷载系数计算(1)风压高度变化系数因地面粗糙度为B类，查荷载规范P25表7.2.1可得到mz(2)风载体型系数ms根据荷载规范，ms = 0.60(3)脉动增大系数x根据荷载规范P42表7.4.3，w0T12 = 0.40 × 0.89222 = 0.32地面粗糙度为B类，混凝土结构，插值得x = 1.3155(4)脉动影响系数n 1)脉动影响系数n1: 根据荷载规范P42表7.4.4-1，总高度为50.00m，地面粗糙度为B类，n1 = 0.8700 2)修正系数qB和qV: 根据荷载规范P43表7.4.4-2可得: BH / B0 = 3.76 / 5.76 = 0.65插值可得qV = 1.4050qB = Bz / B0 3)脉动影响系数n: n = n1qBqV(5)振型系数jz根据BH / B0的值查荷载规范P121表F.1.3可得(6)风振系数bz根据荷载规范P42公式7.4.2可得(7)风荷载标准值wk = bzmsmzw0顺风向风压时风荷载计算结果EliRomzn1qBnz/Hjzbzwk50.001.881.67000.87000.650.79791.001.00001.62850.6540.002.081.56000.87000.720.88280.800.69531.51760.5730.002.281.42000.87000.790.96770.600.41791.37470.4720.002.481.25000.87000.861.05260.400.19531.21630.3610.002.681.00000.87000.931.13750.200.05261.07880.260.002.881.00000.87001.001.22240.000.01261.02030.242横向风振判断(1)第1振型时的临界风速计算根据荷载规范P45公式7.6.1-1可得式中D2/3-2H/3高度处烟囱的外直径(2)烟囱雷诺数Re及横向风振判断烟囱顶部风速根据荷载规范P45公式7.6.1-2计算烟囱2/3高度处的风速V2/3 = Re = 69000V2/3D2/3 = 69000 × 35.68 × 4.43 = 10.90 × 106Re 3.5 × 106，VH > Vcr1，第一振型发生横风向强风共振，需要考虑横风向风荷载引起的荷载效应3判断横风向风振是否起控制作用根据烟囱规范P28公式5.2.4-1和5.2.4-2得: ，不满足烟囱规范公式5.2.4-1的要求，应计算横风向风振效应4跨临界强风共振计算1.3Vcr1 = 1.3 × 24.81 = 32.25m/s VH = 38.08m/s最不利起点高度H1: 10m标高处顺风向基本风压wcr10: 根据荷载规范P46公式7.6.2-1: 式中: l1 - 计算系数，根据表7.2.4-1插值得l1 = 1.54z1 - 阻尼比，混凝土结构取为0.05jz1- 第1振型的振型系数，由BH / B0 = 0.65查附录表F.1.3插值可得最终计算结果表EliZ / Hjz1wcz150.001.001.00001.4840.000.800.69531.0330.000.600.41790.6220.000.400.19530.2910.000.200.05260.080.000.000.01260.025临界风速时对应的各截面顺风向风压1顺风向风压wcr10 = 0.39kN/m2时风荷载系数计算(1)风压高度变化系数因地面粗糙度为B类，查荷载规范P25表7.2.1可得到mz(2)风载体型系数ms根据荷载规范，ms = 0.60(3)脉动增大系数x根据荷载规范P42表7.4.3，wcr10T12 = 0.39 × 0.89222 = 0.31 地面粗糙度为B类，混凝土结构，插值得x = 1.3127(4)脉动影响系数n 1)脉动影响系数n1: 根据荷载规范P42表7.4.4-1，总高度为50.00m，地面粗糙度为B类，n1 = 0.8700 2)修正系数qB和qV: 根据荷载规范P43表7.4.4-2可得: BH / B0 = 3.76 / 5.76 = 0.65插值可得qV = 1.4050qB = Bz / B0 3)脉动影响系数n: n = n1qBqV(5)振型系数jz根据BH / B0的值查荷载规范P121表F.1.3可得(6)风振系数bz根据荷载规范P42公式7.4.2可得(7)风荷载标准值wk = bzmsmzwcr10横向风振临界风速对应顺风向风荷载计算结果EliRomzn1qBnz/Hjzbzwk50.001.881.67000.87000.650.79791.001.00001.62720.6340.002.081.56000.87000.720.88280.800.69531.51650.5530.002.281.42000.87000.790.96770.600.41791.37390.4520.002.481.25000.87000.861.05260.400.19531.21590.3510.002.681.00000.87000.931.13750.200.05261.07860.250.002.881.00000.87001.001.22240.000.01261.02030.246横风向和顺风向水平风力及弯矩组合值弯矩组合值根据荷载规范P47公式7.6.3确定: 最终计算结果如下: EliRahiwcpQiMiMwk横顺横顺横(MC)顺(MA)40.001.9810.001.260.5949.7323.46248.65117.28274.9330.002.1810.000.820.5035.9521.93925.73461.501034.3920.002.3810.000.450.4021.6219.251890.691011.642144.3210.002.5810.000.180.309.4815.623011.141736.143475.800.002.7810.000.050.242.6913.604192.422606.764936.75注: 1、wcp表示均布风荷载平均值，wcp = (wi + wi-1) / 2 ，单位为kN/m22、横表示横风向，顺表示顺风向3、Qi表示作用于每一节重心处的集中风荷载，Qi = 2Rahiwcp，单位为kN4、Mi = (Qihi)，单位为kN·m七、地震作用及内力计算抗震设防烈度为7度(0.15g)，建筑场地为类，基本风压为0.40kN/m2，可不考虑竖向地震作用。水平地震作用采用振型分解反应谱法，不考虑扭转耦联作用。1水平地震作用计算(1)水平地震影响系数最大值因抗震设防烈度为7度(0.15g)，故多遇地震作用下水平地震影响系数最大值为0.12(2)特征周期因设计地震分组为第一组，建筑场地土为类，故特征周期Tg = 0.25s(3)各振型参与系数根据烟囱规范P30第5.5.4条规定，计算烟囱水平地震作用时考虑前5个振型根据抗震规范P31公式5.2.2-2可得: 式中: Xji- j振型i质点的水平相对位移 gj - j振型的参与系数计算结果见下表: 振型参与系数的参数-质点重量与振型位移的乘积(kN)Eli第一振型第二振型第三振型第四振型第五振型50.00406.43406.43406.43-273.5482.8140.00597.30-33.93-673.67859.13-350.1630.00401.96-592.98-315.08-925.71744.8620.00213.18-639.40823.0722.89-1106.3710.0063.41-276.82704.991141.571280.080.000.000.000.000.000.00振型参与系数的参数-质点重量与振型位移平方的乘积(kN)Eli第一振型第二振型第三振型第四振型第五振型50.00406.43406.43406.43184.1016.8740.00415.271.34528.25859.13142.7230.00167.05363.53102.64885.96573.6120.0040.91368.03609.840.471101.9010.003.1459.86388.271018.051280.080.000.000.000.000.000.00各振型地震反应有关参数振型XjiGiXji2Gigjajajgj第一振型1682.291032.801.630.040.06第二振型-1136.691199.19-0.950.12-0.11第三振型945.742035.430.460.100.05第四振型824.342947.710.280.080.02第五振型651.233115.180.210.070.01注: aj - 相应于j振型自振周期的地震影响系数，按抗震规范第5.1.4条确定(4)各截面水平地震作用标准值根据抗震规范P31公式5.2.2-1可得: Fji = ajgjXjiGi (i = 1,2,n, j = 1,2, 3,4,5)式中Fji - j振型i质点的水平地震作用标准值根据抗震规范P31公式5.2.2-3计算结果如下: 地震作用下，结构振动时的水平力(kN)Eli第一振型第二振型第三振型第四振型第五振型振型组合值50.0025.28-46.2319.45-6.171.2456.5240.0037.153.86-32.2519.37-5.2353.2730.0025.0067.45-15.08-20.8711.1277.2120.0013.2672.7339.400.52-16.5285.3910.003.9431.4933.7525.7319.1156.330.000.000.000.000.000.000.00地震作用下，结构振动时的水平剪力(kN)Eli第一振型第二振型第三振型第四振型第五振型振型组合值50.0025.28-46.2319.45-6.171.2456.5240.0062.44-42.37-12.7913.20-3.9977.7630.0087.4425.08-27.87-7.677.1395.7120.00100.7097.8111.52-7.15-9.39141.3510.00104.64129.2945.2718.589.72173.660.00104.64129.2945.2718.589.72173.66地震作用下，结构振动时的水平弯矩(kN·m)Eli第一振型第二振型第三振型第四振型第五振型振型组合值50.000.000.000.000.000.000.0040.00252.81-462.30194.54-61.6612.37565.1930.00877.17-886.0066.6370.34-27.561250.8320.001751.56-635.22-212.11-6.3343.751875.7510.002758.56342.85-96.87-77.84-50.152783.010.003805.001635.78355.82107.9847.094158.64八、附加弯矩计算1承载能力极限状态风荷载附加弯矩承载能力极限状态计算时，由风荷载、日照和基础倾斜的作用，筒身重力对各截面所产生的附加弯矩。(1)筒身代表截面变形曲率: 根据用户输入，取截面5作为筒身代表截面 1)代表截面几何特征外半径r1 = 2.88m，壁厚tn = 0.23m，平均半径r = r1 - tn / 2 = 2.77m面积A = 2prtn = 2 × p × 2.77 × 0.23 = 4.00m2惯性矩I = pr3t = p × 2.773 × 0.23 = 15.27m4 2)折算线分布重力荷载自重荷载分项系数取为1.20筒身顶部第1节高度h1 = 10.00m筒身顶部第1节全部自重设计值G1 = 1.20 × 812.87 = 975.44kN筒身全部自重设计值G = 1.20 × 5307.53 = 6369.04kN筒身顶部第1节的平均线分布重力荷载q1 = G1 / h1 = 975.44 / 10.00 = 97.54kN/m整个筒身线分布重力荷载q0 = G / h = 6369.04 / 50.00 = 127.38kN/m代表截面处折算线分布重力荷载: = = 117.44kN/m 3)截面受力情况判别已知轴向力N = 1.20 × 4864.28 = 5837.13kN风弯矩Mw = 1.40 × 4936.75 = 6911.46kN·m假定附加弯矩Ma = 0.35Mw = 0.35 × 6911.46 = 2419.01kN·m相对偏心距 = 0.58 > 0.5C取0.25 4) 代表截面附加弯矩其中，混凝土在温度作用下弹性模量Ect = 2.13 × 104 N/mm2 = 2.13 × 107 kN/m2，混凝土在温度作用下线膨胀系数ac = 1.0 × 10-5; 筒身日照温度差T = 20; 基础倾斜值tgq = 0.006。高度为0.4h(标高20.00m)处筒身外直径d = 4.96m将以上数值代入公式令 A = B = = = 0.009 D = = = 0.952此时 满足前面计算C时所采用的条件 5)代表截面变形曲率变形曲率(2)各计算截面折算线分布重力荷载qi将各计算截面高度hi以及q1 = 97.54kN/m，q0 = 127.38kN/m代入烟囱规范P50公式7.2.3-1中: 根据烟囱规范P48公式7.2.1计算附加弯矩计算结果见下表: Eli计算高度hi(m)折算分布荷载qi(kN/m)Mai(kN·m)50.0050.0097.540.0040.0040.00101.5275.2830.0030.00105.50284.2420.0020.00109.48596.7410.0010.00113.46976.120.000.00117.441379.272承载能力极限状态地震附加弯矩地震作用下按承载能力极限状态计算时，由于地震作用、20%风荷载、日照和基础