浅谈烟囱钢支架结构方案设计及优化分析

摘要：本文以江苏常熟某工程15.2米高玻璃钢烟囱为例，设计了一种12.7米高的四柱烟囱钢支架结构。采用角钢组合构件，通过荷载计算、稳定性分析及节点优化，确保结构在风荷载及地震作用下的安全性，可为类似工程提供参考。

关键词：烟囱钢支架;角钢结构;风荷载分析;稳定性验算;

一、前言

钢烟囱属于高耸结构，对风荷载和地震作用敏感。钢支架通过提供额外的支撑点，分散受力，减少烟囱根部的弯矩和剪力，避免因强风或地震导致的倾斜或倒塌。烟囱在气流作用下可能产生涡激振动， 钢支架可抑制振动幅度，提供额外的支撑点，分散受力，减少烟囱根部的弯矩和剪力，避免因强风或地震导致的倾斜或倒塌。玻璃钢（FRP）烟囱因其耐腐蚀、重量轻等优点广泛应用于化工行业，但其刚度较低，需依赖钢支架提供支撑。

以下简单阐述了钢烟囱设置钢支架的必要性：钢支架可分担部分竖向荷载，并允许热位移，减少热应力对烟囱本体的影响。钢支架可固定爬梯、检修平台、避雷针或管道等附属设施，避免直接焊接在烟囱上影响其强度。常与检修平台结合，提供安全维护空间，方便检查腐蚀、焊缝或保温层状况。高大烟囱通常分段安装，支架可作为临时支撑点，辅助吊装定位。

若地基承载力不足，支架可将部分荷载传递到更深或更稳定的土层。支架设计可能包含滑动支座或弹性垫片，允许烟囱热胀冷缩时纵向位移，避免结构变形。支架分散烟囱与基础的连接应力，避免应力集中导致的金属疲劳或开裂。支架可抬高烟囱底部，减少雨水、积水对钢结构的直接侵蚀土层。

二、工程概况

本文以江苏常熟某项目为例，设计一种经济安全的钢支架结构， 玻璃钢（FRP）烟囱参数：总高15.2m（钢塔架高度12.7m，排气筒高出塔架2.5m），塔架侧面有多层上人操作钢平台，筒内径700mm，壁厚10mm（玻璃钢材质，密度1.8g/cm³），本工程安全等级为二级，地震分组为第一组，场地土类别III类，基本风压（50年） ，抗震设防烈度7度（0.15g），地面粗糙类别B类 。

三、结构方案及材料选择

设计初始，业主要求钢烟囱下方支撑结构采用钢筋混凝土框架结构，此支架设有700mmx700mm的框架柱，两个方向柱子间距3000mmx3000mm，支架顶层框架梁标高为12.700m，钢烟囱排气筒高出支架2.5m，此四根柱子上升，形成烟囱支架。

根据工程条件，结合实际情况，烟囱高度15.2m，属于低矮烟囱。建议业主采用拆装方便的钢支架结构形式，节点采用螺栓连接，避免高空施焊作业。若是采用混凝土结构形式，万一以后烟囱拆除，会留下空框架，影响场地美观。钢支架水平截面形式可设计成三角形、四边形等，目前行业内使用三柱支撑和四柱支撑的形式比较多，支撑的体系选择需综合考虑结构安全性、抗震性能、经济性及维护成本。介于本工程的烟囱高度小于30m，施工周期比较紧张，角钢的节点连接更加简单，可直接用螺栓连接与焊接，可进行标准化切割，市场货源供应充足，易采购，可捆扎运输更轻便，防腐性能高等优点，在预算允许的情况喜爱，最终业主同意选用采用四根角钢（Q235C）柱，支撑和横杆也采用角钢，节点采用螺栓连接。

本工程结构设计中重点解决以下问题：高耸结构的风振效应控制；角钢组合立柱的稳定性优化；玻璃钢烟囱与钢塔架的协同工作性能。

四 结构计算与分析

4.1荷载计算

本工程钢支架承受的荷载主要来自风荷载、地震荷载、自重、烟囱引起的附加地震作用。玻璃钢烟囱自重500kg，自重较轻，需重点验算风荷载下的抗倾覆和振动稳定性。

1）自重

角钢支架自重为1475kg，考虑到节点板、焊缝等因素的影响，自重放大系数取1.15，则钢支架自重取G=1500kg，则钢支架自重为15，另玻璃钢烟囱自重为.

2） 地震作用

水平地震影响系数最大值：0.120;

水平地震力：

3）结构自振基本周期（T）

根据《高耸结构设计规范》[1]（GB 50135-2019）附录C，对等高截面自立式塔架，基本自振周期 T1可按下式估算：T1=0.013H

考虑顶部集中质量影响：

修正后周期：′=α=1.038×0.48≈0.498秒

4） 温度作用

GB/T 50051-2021《烟囱设计规范》[4]明确要求当烟囱内外温差≥50℃或烟气温度≥100℃时，必须计算温度应力。针对60℃烟囱：若环境温度为20℃，温差仅40℃（<50℃），规范上可不计算温度作用。又高度＜30m，独立支撑且无外部约束时，热变形可自由释放， 故可以不用考虑温度作用的情况。

5）风荷载计算

风荷载对于高耸结构（地震烈度为7度区）常起控制作用，是工程结构设计中不可忽视的荷载。取第7、8段两段节点为例，层高均为1.5m，钢支柱采用L110x8，长度1.5m；斜杆采用L70X6，长度2.121米；横杆采用L100x8.，长度1.5m.

（50年）由于地处常熟，相当于离地高度10米高的重现期为50年的最大风速为26.8m/s.地面粗糙类别为B类，根据《高耸结构设计规范》，按照迎风面的一个塔面计算，

按照高耸结构设计规范中规定考虑风振影响，风振系数按照βz=1+钢支架的基本自振周期T1= 0.48s，将烟囱作为地震的附加质量考虑，钢支架的自振周期T1=0.498s。

考虑到两者为并联体，安全起见风振系数中的自振周期取值为T1=0.498s。112按照规范进行计算所得，脉动增大系数1.90，总高度12.7米，风压脉动和风压高度变化等影响系数，结构顶部与底部的宽度比为1。

第8层（节点标高为12.700m）：立柱挡风面积为0.33m2斜杆挡风面积0.300m2 ，横杆挡风面积为0.095 m2，挡风总面积为0.725，轮廓面积为2.25 m2，挡风系数=0.322，风向1体型系数=2.156， ，风向2体型系数=2.356，迎风面面积为0.725m2根据《高耸结构设计规范》，查表得=0.74，，βz=1+=2.41。根据公式，求得钢支架第8节点处的风向1节点荷载1.81kN， 风向2节点荷载1.977kN，.

第7层（节点标高为11.200m） 立柱挡风面积为0.33m2斜杆挡风面积0.300m2 ，横杆挡风面积为0.095 m2，挡风总面积为0.725，轮廓面积为2.25 m2，挡风系数=0.322，风向1体型系数=2.156， ，风向2体型系数=2.356，迎风面面积为0.725m2。根据《高耸结构设计规范》，查表得=0.725，，βz=1+=2.21根据公式，求得钢支架第8节点处的风向1节点荷载1.6kN， 风向2节点荷1.748kN。

（2）烟囱传给塔架的风荷载确定

烟囱自振周期取塔架考虑附加质量的周期，即

风荷载计算按照上述计算方法，得出每一段支架节点的风荷载集中力，作为附加外力集中在钢支架节点上。此处不再详细列出。风荷载产生的总集中力为12.3 kN

7）抗倾覆计算

风荷载倾覆力矩计算

风荷载作用高度：12.7/2=6.35m

风荷载总值：12.3 kN 风荷载产生的抗倾覆弯矩为

12.3×6.35≈78.1

结构自重：烟囱自重15 kN ，钢支架自重5kN。则基底弯矩

正常情况下，需要进行抗倾覆验算，由于本工程基础委托第三方设计，因而基础验算不再详细说明，本案例中提供第三方设计公司柱底反力和对基础产生的弯矩，以便其计算设计基础。

4.2横风向风振验算

由于此结构为方形，基本不存在横风向风振问题。但因进行局部构件验算，此处省略验算过程吗，从验算结果看，不会出现局部构件微风和强风共振。

4.3 斜撑杆及连接节点设计

斜撑布置对控制侧移至关重要，建议加密至1.5m间距，交叉支撑采用角钢L70x5，横杆采用L100x8。柱脚采用4M24螺栓铰接连接，由于篇幅限制不再详细介绍。

4.4 位移

在本案例计算过程中，考虑操作平台和爬梯，平台恒载取1.0，平台操作荷载取2.5采用3D3S进行建模结构计算分析，经计算得出截面和位移验算均符合规范要求，最大位移5.7mm，< =25.4mm， 满足计算要求。

五 结语

本工程实例为简单计算介绍，钢结构还应考虑防腐，通过方案选型及受力分析、计算等方面的探讨，结合实际工程中的成功案例，以及工程实际和业主需求，合理选择烟囱钢支架设计，在不断探索和总结中，优化结构设计方案，保证结构性能符合经济性与适用性，使结构设计达到更优解。

参考文献

[1]《高耸结构设计规范》 （GB50135-2019）

[2]《建筑结构荷载规范》 （GB50009-2012）

[3]《建筑抗震设计规范》 （GB50011-2010）（2016年版）

[4]《烟囱设计规范》 （GB 50051-2021）

[5] 王肇民《高耸结构设计手册》 中国建筑工业出版社，1995年