林文强

（福建省特种设备检验研究院 福建福州 350003）

1 概述

随着国家对大气环保要求越来越严格，要求燃煤锅炉烟气实行超低排放，烟尘排放浓度限值≤5 mg/m3，二氧化硫排放浓度限值≤35 mg/m3，氮氧化物排放浓度限值≤50 mg/m3。电厂锅炉烟气通过脱硫脱硝后烟尘一般没有达到超低排放标准［1］，需要在脱硫后再增加湿电除尘器使得达到超低排放标准［2］。改造场地有限和原有烟囱防腐达不到要求，需要在湿电除尘器顶上设立直立钢烟囱，设备总体要达到60 m 以上。烟囱支撑钢架比较复杂，其支撑梁受力分析人工计算比较困难，且耗时长。ANSYS 是一款常用CAE 软件，有强大计算功能。该文工程研究对象结构尺寸见图1 所示，钢架的受力分析使用ANSYS有限元分析软件进行计算机计算。

2 钢架受力分析

2.1 计算烟囱对烟囱支撑钢架的载荷

根据JB/T 4710—2005 钢制塔式容器标准编制的计算表格，计算出标高+34.500 m 处对烟囱产生弯矩M=7 053 826 N·m（本工程的基本风压为0.8 kN/m2）和烟囱的自重W=656 600 N。烟囱支座采用刚性支撑环，支撑中心线直径D=6.2 m，支撑点数n=8 个（均布）见图1 所示。根据NB/T 47003.1—2009 钢制常压容器标准，一个支撑点的压力计算公式见式（1）。

图1 烟囱和烟囱支撑钢架示意图

式中：Fb为作用于一个支撑点的压力，N；M 为外载荷作用在烟囱的弯矩，N·m；Db为支撑中心线直径，m；W 为垂直载荷，取设备最大操作重量，N；n 为支撑点个数。

由式（1）可计算出每个支撑点的压力Fb为650 932 N。

2.2 建立计算模型

根据文献，选择分析模块Strucktural［3］、杆单元beam189［4］；设置材料弹性模量210E9，泊松比0.3；在section 列表中输入钢架所需的各种型材的尺寸（立柱为方管400×16；1 号梁H1200×300×20×30；2 号 梁HN700×300×13×24；3 号 梁HN350×175×7×11；1 号钢管φ159×5；2 号钢管φ219×6）。

根据图1 中的尺寸建立钢架模型：先建立各控制点坐标，根据不同方案连接成直线，接着设置全局划分分段数为10，然后根据不同方案，给各条直线赋予杆单元beam189 属性和型材截面序号杆单元beam189 属性，最后进行网格划分。

方案1：标高+34.500 处支撑梁为1 号梁H1200×300×20×30，支撑中心线处梁没设八字斜撑。标高+42.700 处支撑梁为3号梁HN350×175×7×11，梁平面方向拉撑为1 号钢管φ159×5，钢架梁立面方向斜撑为2 号钢管φ219×6。

方案2：标高+34.500 处支撑梁为2 号梁HN700×300×13×24，支撑中心线处梁增设四对八字斜撑为2 号钢管φ219×6，标高+42.700 处支撑梁为3 号梁HN350×175×7×11，梁平面方向拉撑为1 号钢管φ159×5，钢架梁立面方向斜撑为2 号钢管φ219×6。

2.3 建立分析类型

选择静力学分析模块。设置标高+28.450 m 4 个控制点为位移约束（不能平移，但可以转动）；在图1 中标高+34.500 m小圆圈标记的8 个位置控制点设置集中载荷Fz=-650 932 N；方案1 和方案2 边界条件设置是一样的。

2.4 求解结果

在GUI 界面Solution>Solve>Current LS 命令，分别完成方案1 和方案2 的求解。

方案1 应力云图结果见图2，显示最大应力位置和应力值188 MPa，能满足受力要求。

图2 方案1 烟囱支撑钢架的应力云图

方案2 应力云图结果见图3，显示最大应力位置和应力值215 MPa，能满足受力要求。

图3 方案2 烟囱支撑钢架的应力云图

3 比较结果

比较方案1 和方案2，钢架标高+34.500 m 处所采用的支撑梁型材都能符合要求。方案1：梁H1200×300×20×30 型材单位重量320.28 kg/m，共需要83.85 m，重量为26 855 kg；方案2：梁HN700×300×13×24 型材单位重量181.76 kg/m，共需要83.85 m，重量为15 241 kg，支撑钢管φ219×6 型材单位重量31.52 kg/m，共需要59 m，重量为1 860 kg，耗材总重15241+1860=17101 kg；方案2 比方案1 钢材用量减少了约9 754 kg，本工程按3 套计算，共节省约29 262 kg，工程钢材成本（含材料费和施工费）每吨按0.8 万元，共节省成本23.41 万元。

本工程设计中运用ANSYS 有限元分析软件分析计算，能优化钢架结构设计，减少钢架钢材耗量，获得良好经济效益。本工程用ANSYS 计算耗时1.5 d，如果用人工计算则大概需要5 d 左右（计算错误引起的浪费时间除外）。

4 结语

本文介绍的实际工程中的烟囱支撑钢架设计，通过选择不同钢柱、钢梁截面和不同斜撑连接方案进行建模分析计算，ANSYS 软件能够帮助工程师比较不同方案，选出更优的设计方案，完成烟囱支撑钢架结构优化设计。对于一些复杂钢架结构（如静不定结构）的受力分析计算，计算机计算对比人工计算能更准确的计算结果和更短的计算时间。在工程设计中运用ANSYS 有限元分析软件分析计算，能优化钢架结构设计，减少钢架钢材耗量，获得良好经济效益。