摘要:用sap2000對某電廠的煙囪進行有限元計算分析，說明在煙囪計算時應注意的問題
　　關鍵詞:sap2000，煙囪，有限元分析
　　0引言
　　煙囪是火力發電廠的重要構筑物,屬于特種結構,高度高、體量大,荷載作用復雜,隨著電力建設事業的發展,鋼內筒煙囪得到了越來越廣泛的使用,但是應用于此類煙囪設計的專業軟件目前還比較少。隨著計算機水平的不斷發展,國內先后引進了ADINA、MARC、ANSYS、ABAQU、NASTRAN、SAP2000等有限元軟件,他們的特點是前后處理功能十分強大,均有十分友好的用戶界面,并有與CAD直接轉換的接口,能滿足廣大設計工程師的迫切要求[2]。在與廣東院的合作當中，我有幸接觸了sap2000軟件的學習研究。SAP2000是美國加利福尼亞州CSI(ComputersandStructures,Inc.)公司專門針對結構線性和非線性開發研制的國際通用有限元計算軟件。程序中提供了強大的分析功能,不僅囊括了土木工程領域幾乎所有的分析類型:靜力分析、動力分析、模態分析、反映譜分析等。由于它是一種專門針對結構分析的有限元軟件,并且可視化程度高,所以應用起來更加方便、更加人性化[1]。本文通過對一個煙囪實例的計算分析,闡述了如何應用sap2000有限元軟件對其進行整體建模、模擬施加荷載的過程,并將其計算結果應用于實際工程中。
　　1工程概況
　　1.1、本工程建（構）筑物設計采用的主要技術數據：
　　抗震設防烈度為7度;設計基本地震加速度值為0.10g;建筑抗震設防類別為乙類;設計地震分組為第一組;建筑場地類別為Ⅱ類;設計使用年限為50年;建筑結構的安全等級為一級;基本風壓值為0.60kN/m2(100年一遇);地面粗糙度為B;混凝土結構的環境類別二類
　　1.2、煙囪設計資料：
　　本工程煙囪采用鋼筋混凝土套筒煙囪，內筒采用復合鈦鋼內筒；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;鋼內筒高度H=210m，出口內徑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℃；內外筒之間全高共設5層鋼平臺;基礎采用支承于灌注樁的鋼筋混凝土板式基礎。煙囪外形圖如下。
　　2工程建模
　　傳統的套筒式煙囪常用的計算方法是:首先根據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,解出構件內力后驗算外筒的強度、剛度和變形,然后根據內外筒連接平臺處的位移計算鋼內筒的內力,根據外筒的底部內力設計基礎,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力進行計算,特別是對筒壁開洞不對稱和同一截面洞口超過3個的情況無法計算,而采用通用有限元進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構進行計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、鋼內筒及鋼平臺,結構計算簡圖如上
　　所示.混凝土外筒及鋼內筒均利用sap2000中的倉儲結構模板來建模，很好地解決了煙囪變截面的問題。在設置材料的時候將外筒內筒設為薄板單元；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，與鋼內筒連接為鉸接；因本次計算只計算上部結構，不計算鋼筋混凝土板基礎，故鋼筋混凝土板基礎設置為與外界剛接，如需要用到，也可將板基礎按實際情況加入模型當中。若有樁基，還可利用線彈簧來模擬（F=kx，K可根據試樁報告獲得）。按實際情況將環形加勁肋加入模型，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,永久荷載包括結構自重、固定設備重等;可變荷載包括風荷載、平臺上活荷載、安裝檢修荷載、地震作用、溫度作用及由風荷載、日照及基礎傾斜引起的筒身自重對任意截面產生的附加彎矩,其中安裝檢修荷載包括施工吊裝設備重量、起吊重量和平臺上的施工荷載.
　　在Sap2000程序里，除了結構自重是程序默認計算之外，其余荷載均需人工輸入。地震荷載采用sap2000提供的反應譜函數輸入，風荷載也采用程序提供的風力作用面來自于面對象，通過輸入體型系數，讓程序自動計算風荷載。
　　4計算結果
　　由荷載規范可知，對于煙囪來說，起控制作用的組合是風荷載組合。計算的主要結果為：周期為2.32s，頂部位移為393mm，底部地震力為7783KN。洞口及連接內外筒的剛性桿處應力較大，加勁肋桿件應力比也滿足要求。所以本工程可認為所采用的構件尺寸大小均滿足要求。如圖所示。
　　在后期計算當中，我們發現，將鋼內筒的厚度減少之后，除了頂部位移發生較大變化外，其余參數變化不大，但頂部位移仍處于可控范圍之內。
　　5結論
　　1)通過對SAP2000分析功能的介紹以及利用其軟件應用于電廠煙囪結構的計算,說明SAP2000是結構分析方面比較成熟和方便的有限元軟件,將該軟件應用與電廠煙囪結構設計中,將能達到事半功倍的效果。
　　2）由于煙囪結構復雜,需要對煙囪進行一些的簡化處理,因此可能會造成煙囪某些受力的關鍵部位得不到準確的結果,這也提醒我們在進行構件簡化，假定以及連接時一定要與事實更貼近，這將直接影響到計算結果的可靠度。但是與傳統的計算軟件相比，sap2000的計算結果無疑更真實可信。
　　3）在對煙囪進行有限元分析的時候,選擇合適的計算模型,對的連接以及假定必將對結構較傳統而言有很大的進步，從而可以優化煙囪結構，產生較大的經濟效益。以上述工程為例，鋼內筒的厚度仍然可以減少，以一個梯段1mm厚鋼板價值1萬計算，保守估計可為工程節省7-10萬元，效益相當可觀。
　　隨著計算機水平和有限元理論的迅速發展,現代的設計方法不斷地更新,SAP2000將會在電廠建筑尤其是在特種結構設計中發揮出更大的作用。
　　參考文獻:
　　[1]北京金土木軟件技術有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2006.
　　[2]彭守拙.水電站設計新進展[M].北京:中國水利水電出版社,2007.
　　[3]江雨聲,周雷靖.240m雙鋼內筒煙囪的有限元分析[J]武漢大學學報(工學版)2008,7.