烟囱是工业与民用建筑中广泛应用且不可缺少的高耸结构，在热能环保（焚烧）项目中作用尤为明显。钢结构烟囱是目前烟囱三大应用类型之一，其按结构形式可分为自立式、拉索式及塔架式［１］。各类钢结构烟囱的结构设计虽有共性部分，但由于其结构外形、使用环境的不同，每种烟囱的结构设计又各有其自身的特点，文中对带过渡段圆筒形自立式钢烟囱的构造特点及其设计计算方法进行了分析。
１　计算烟囱简介
１．１　设计条件
基本风压ω０＝０．６６ｋＮ／ｍ２（５０ａ一遇），地震设防烈度为７度，场地类别为ＩＩ类，地面粗糙度为Ｂ类，特征周期ｔｇ＝０．４５ｓ。入口烟气温度ｔ０＝１６０℃，钢材选用Ｑ２３５Ｂ。
烟囱筒壁的最高受热温度为７３℃，此处取钢板强度设计值为σ＝２１５ＭＰａ，弹性模量Ｅ＝１．９８×１０５　Ｎ／ｍｍ２。钢板密度为７　８５０ｋｇ／ｍ３，此烟囱内部密度为８００ｋｇ／ｍ３。
烟囱各段的钢板厚度及计算简图见图１。

１．２　结构选型
某化工焚烧项目的烟囱参数：高度ｈ＝５０ｍ，自立式钢烟囱，外形为带过渡段圆筒形，上段外直径Ｄ１＝１．６２０ｍ，下段外直径Ｄ２＝２．７３０ｍ，烟囱内部衬有δ０＝５０ｍｍ厚的轻质耐火浇注料。　
２　结构计算
计算烟囱结构简图见图１左侧，计算横风向共振临界风速、雷诺数时取图１Ｎ－Ｎ（１９９０ｍｍ）截面［２］。
２．１　横风向风振校核
本烟囱属于变截面质量不均匀的塔设备，根据《塔设备》、ＪＢ　４７１０—２００５《钢制塔式容器》所推荐的周期计算方法［３，４］，本烟囱自振周期计算结果为：第一振型周期Ｔ１＝１．２１４ｓ，第二振型自振周期Ｔ２＝０．２８９ｓ。
根据ＧＢ　５０００９—２０１２《建筑结构荷载规范》［５］公式８．５．３－１、８．５．３－２、８．５．３－３求得第一振型临界风速ｖｃｒ１＝８．２０ ｍ／ｓ、第二振型临界风速ｖｃｒ２＝３４．４３ｍ／ｓ，顶部风速为ｖｈ＝４１．４ｍ／ｓ，第一振型雷诺数Ｒ　ｅ１＝１．１３×１０６，第二振型雷诺数Ｒ　ｅ２＝４．７３×１０６＞３．５×１０６。
根据文献［５］，当Ｒ　ｅ２＞３．５×１０６ 且结构顶部风速１．２ｖｈ＞ｖｃｒ２时，属跨临界强风共振，应考虑横风向引起的荷载效应（等效静荷载）。根据文献［６］需判断横向风振是否起控制作用。根据文献［６］的公式５．２．４．１和５．２．４．２，烟囱顶端设计风压值ωｈ＝ｖｈ２／１　６００＝１．０７（ｋＮ／ｍ２），第１振型对应的风压值ωｃｒ１＝ｖｃｒ１２／１　６００＝０．０４２ｋＮ／ｍ２。
根据ＧＢ　５０１３５—２００６《高耸结构设计规范》［７］公式４．２．９，烟囱结构阻尼比ξ１＝０．０１，烟囱顶部风振系数β２＝２．９１３。

２．２　横向共振的等效荷载计算
根据文献［５］公式Ｈ．１．１－２，横向风振的最不利锁住区起始点高度为ｈ１＝１．１１ｍ，故烟囱１．１１ｍ以上为共振区。ｈ１／ｈ＝０．０２２，计算系数λ２＝０．８３。
根据文献［５］公式Ｈ．１．１－１，跨临界强风共振引起在各截面处振型２的等效风荷载计算结果见表１（第２振型阻尼比取ξ２＝０．０１）。

据文献［６］公式５．２．５－３，且１．３ｖｃｒ２＞ｖｈ，故可直接取１０．０ｍ标高处对应的顺风向基本风压ωｃｒ１０＝０．６６ｋＮ／ｍ２。
２．３　风荷载效应计算 （１）横风向及相应顺风向荷载叠加效应　根据文献［７］公式４．２．１４，考虑横风向风振时，风荷载的总效应计算结果见表２。
（２）顺风向风荷载效应　根据文献［５］公式８．１．１－１及文献［４］公式８－２１，烟囱的各截面计算结果见表３。

由表２与表３对比可以发现，由顺风向风荷载计算所得烟囱底部Ｍ－Ｍ 截面弯矩值远大于由横向风振计算所得的弯矩值，而其它截面弯矩值又均小于横向风振所算得弯矩值，这是因为该横风向风振是烟囱第２振型引起的，烟囱上部与下部等效风压方向相反，烟囱各截面风荷载效应相互抵消。所以在进行烟囱强度及稳定性计算时，应该选择两种风荷载作用下弯矩值、剪切力较大者进行校核，如该工程中烟囱底部弯矩则应该选用６　２９８ｋＮ·ｍ。
２．４　竖向荷载及地震作用计算
烟囱钢壳自重Ｇ１＝３１０ｋＮ，内层浇注料的自重Ｇ２＝１９０ｋＮ。根据烟囱设计规范文献［６］中５．５．１条、５．５．４条、５．５．５条，对本烟囱可采用简化法进行抗震计算，该烟囱各截面的计算结果见表４。

２．５　强度及稳定性计算
根据文献［６］公式４．１．５－１、４．１９、９．３．２－１、９．３．２－２、９．３．２－３，本烟囱自重及风荷载效应组合下各截面强度计算见表５，地震作用效应组合计算见表６，烟囱各段整体稳定性校核见表７，表中＋表示压应力，－表示拉应力。
由表５～表６计算结果可见，地震作用内力不起控制作用，风荷载内力起主要控制作用。由表７可见，烟囱各段的实际应力均小于强度设计值，即整体稳定验算满足要求。

２．６　变形计算
顺风向受荷载作用变形允许值［ｆ］＝５０　０００／１００＝５００ｍｍ ，烟囱顶端的最大位移３３８．２３ｍｍ，小于允许值，故符合正常使用状态要求。
３　烟囱上相应构造措施
３．１　破风圈设置
破风圈能够破坏旋涡脱落的规律性，可以避免发生共振［８］。本工程中烟囱的第２振型横向风振起控制作用，为防止烟囱发生横风向共振，在烟囱上部设置破风圈是很有效的方法。本工程烟囱的破风圈选用螺旋板型［９］，其构造及布置图见图２。

３．２　过渡段处加筋板的设置
烟囱的过渡段连接处是结构薄弱部位，故在过渡段连接处焊接加筋板，对结构进行加强，结构示意图见图３，图中，Ａ－Ａ截面处均布２０个，Ｂ－Ｂ截面均布１２个，筋板厚度均为２０ｍｍ。

３．３　内部浇注料支撑设置
隔热层应与烟囱筒壁牢固连接，当用块状材料或不定型现场浇注材料时，可采用锚固钉或金属网固定［１０］。采用Φ８ｍｍ直径钢筋，做成Ｖ型，水平、竖直间距２００ｍｍ。为支承隔热层重量，可在钢烟囱内表面，沿烟囱高度方向，每隔１～１．５ｍ设置一个角钢加固圈。采用焊接δ＝８ｍｍ厚度的钢板，宽度３５ｍｍ，沿烟囱内壁一周，加固圈竖直间距取１．５ｍ。
４　结语
①本工程烟囱高度和上口直径由工艺确定，经计算截面极限承载能力，烟囱在生产使用中能满足强度、稳定性和刚度要求。②当烟囱横向风振第２振型起控制作用时，应该同时计算烟囱的顺风向风荷载效应，即选择横向风振及顺风向风荷载计算效应两者较大者，进行极限承载力校核。③为避免烟囱发生横风向共振，在烟囱上部设置破风圈是较有效、较经济的方法。