该发电厂工程烟气采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，不设置烟气加热系统(GGH)。烟囱设置2座出口直径9.0 m的排烟内筒，高度240 m，每台炉引入1座内筒。外筒高度为230 m，采用钢筋混凝土结构，底部直径25.9 m，顶部直径22.0 m，内部共设有6层钢平台。内筒材料为钛钢复合板，采用整体悬挂式，悬挂长度166 m，悬挂于标高220 m处钢平台。其结构立面如图1所示。

图  1  烟囱结构立面图

Figure 1.  Elevation of chimne structure

主要设计参数如下：

1)抗震设防烈度：7度(0.10 g)。

2)场地特征周期：0.25 s。

3)百年一遇基本风压：0.94 kPa。

4)夏季极端最高温度(℃)：37.5。

5)冬季极端最低温度(℃)：-1.4。

6)烟气正常运行温度(℃)：50.0。

7)烟气非正常运行温度(℃)：110.0。

用于支撑双钢内筒的悬挂平台，一般采用主次钢梁体系的结构布置。由于本工程钢内筒直径大，悬挂段长，悬挂平台承受的荷载大，采用常规的主次钢梁体系布置方案，不仅导致钢梁所需截面过大，而且因次梁与主梁叠加的挠度过大，往往难以做到钢内筒支撑点处的刚度均匀，从而导致支撑点受力不均，造成钢内筒局部应力显著增大，不利于结构受力，甚至会导致钢内筒产生严重的倾斜。因此，整体悬挂式烟囱的悬挂平台，对承载力和刚度都提出了更高的要求。

本工程悬挂平台结构布置采用如图2所示的形式，采用空间钢桁架结构，主受力构件由桁架HJ-1及HJ-2组成(如图3所示)，其余平台钢梁为焊接H型钢或热轧H型钢。桁架上、下弦形成了两层平台空间，并形成稳定的支撑结构体系。采用SAP2000对悬挂钢平台进行计算分析和设计，以满足钢内筒在吊装、正常使用过程中的平台强度和变形要求。桁架上弦平台作为施工吊装作业平台，每个钢内筒设置4个千斤顶，由穿过吊装吊耳的钢丝束向上提升钢内筒。当钢内筒提升至设计标高后，钢内筒悬挂在桁架下弦平台，每个内筒共有4个悬挂点，悬挂受力点作用在钢梁GL-1或GL-3上。钢内筒的吊装作业平台和悬挂受力平台分别设置在桁架上下弦钢平台，施工工作面互不干扰，且吊装过程不需吊点转换，便于钢内筒的吊装施工，缩短施工工期；悬挂受力点作用在桁架下弦，利于提高桁架的稳定性。

图  2  悬挂平台结构布置图

Figure 2.  Structure layout of suspension platform

图  3  桁架立面结构图

Figure 3.  Elevation of truss structure

悬挂式钢内筒的重量通过悬挂点传给悬挂平台，常用的悬挂方式有平台下吊挂和平台上支挂。平台下吊挂采用钢索或其它钢构件将内筒吊挂在钢平台下方，可避免钢平台承重梁的扭转受力，利于受力稳定，但需在平台梁上另加止晃装置，才能保证钢内筒的稳定。这种悬挂方式由于悬吊点设置在平台下方，给施工和维修带来不便。平台上支挂一般是通过牛腿将钢内筒荷载传到钢平台承重梁上，节点做法简单，不需另加止晃装置，施工和维修较为方便。悬挂点处在钢内筒产生集中力，造成钢内筒明显的应力集中，悬挂点是整体悬挂式烟囱设计的关键和难点。在悬挂点受力影响范围内的钢内筒，采用加劲环进行加强，以满足受力和变形控制要求。

本工程单个钢内筒总荷载约475 t，设有4个吊点悬挂在悬挂平台上。采用通用有限元软件ANSYS，对钢内筒在施工、运行状态下的应力、变形进行计算和分析。采用壳单元建立钢内筒加劲环的模型，将加劲环以下钢内筒的荷载转化为节点荷载，施加在内筒与加劲环底部衔接的节点上。在模型中分别计算4个悬挂点均匀受力和1个悬挂点失效后3点受力的两种工况。计算表明，两种工况下在悬挂点处均产生明显的应力集中，悬挂点反力作用形成的集中弯矩使加劲环发生明显的径向变形；4点均匀受力工况下，加劲环的应力集中及变形均得到有效的改善。

为优化加劲环设计，模型中计算了加劲环刚度、悬挂点支撑刚度、悬挂点偏心距等不同参数下的应力和变形结果，以研究对加劲环受力的影响。通过结果对比得出，避免应力集中的有效办法是保持各悬挂点均匀受力；加大加劲环刚度可以分散应力，减小应力集中，同时减小变形；减小悬挂点偏心距，可以有效减小作用在加劲环上的集中弯矩，从而减小加劲环的径向变形。

本工程采用如图4所示的悬挂方案，钢内筒加劲环由箱型钢梁支撑，当钢内筒提升至设计标高后，将钢梁插入加劲环上预留的凹槽。这样可有效减小悬挂点的偏心距，及其产生的集中弯矩，利于提高加劲环受力性能和控制变形，且便于钢内筒加劲环悬挂受力点的调平。与常规的悬挂点设计相比，该方案在高空平台大大减少了焊接施工量，利于保证施工质量。在牛腿钢梁布置限位装置，限制牛腿的侧向位移，保证钢内筒在风、地震作用下的稳定。

图  4  悬挂点结构

Figure 4.  Suspension point structure

钢内筒悬挂在悬挂平台上，其它各层钢平台设置止晃装置，以限制内筒的水平位移。混凝土外筒与钢内筒通过钢平台的连接相互作用，变形协调。因此，在风载、地震力、温度等荷载效应作用下，混凝土外筒产生的水平位移通过钢平台，作用在钢内筒上。影响钢内筒内力的主要因素为悬挂平台对悬挂段钢内筒的约束作用，即悬挂平台的转动刚度与钢内筒线刚度的比值。悬挂平台的转动刚度取决于钢平台的结构布置，钢内筒线刚度则受止晃点的设置间距影响显著，止晃点间距越小，钢内筒的线刚度越大，由转动引起的内筒内力越大。

钢内筒设计的关键在于确定合理、准确的计算模型。整体悬挂式钢内筒实际上为超静定结构，可采用连续梁模型进行计算。根据烟囱规范^[11]，悬挂平台处的边界条件根据悬挂平台的转动刚度与钢内筒线刚度的比值K来确定，当K<0.1时，悬挂端可简化为不动铰支座；当K>10时，悬挂端可简化为固定端；当K值介于0.1～10时，应将悬吊端简化为弹性转动支座。本工程悬挂钢平台对钢内筒约束的转动刚度，由钢平台的SAP2000模型计算得出。将钢内筒的4个悬挂点分为两组，施加一对力偶，即以相临的两个悬挂点作为一组，施加竖向的集中作用力F，另外一组施加作用方向相反的作用力-F，求得力偶作用点的相对位移S，最后根据弯矩与转角的关系来求得悬挂平台的转动刚度：

式中：L为力偶的力臂，即悬挂点之间的距离。

其余各层钢平台上的止晃装置只在水平方向上限制钢内筒的位移，不约束内筒的竖向变形，因此可作滑动铰支座处理。在钢内筒底部的膨胀伸缩节，采用承插式的接头方式，当钢内筒发生水平位移时，膨胀伸缩节对钢内筒下端的作用力很小，对钢内筒没有竖向约束，因此将钢内筒下端简化为自由端。钢内筒的计算模型如图5所示。

图  5  钢内筒计算模型

Figure 5.  Calculation model of steel inner cylinder

在外筒计算时，获得各止晃钢平台相对于悬挂钢平台的相对位移，以支座位移的形式施加到计算模型，从而求得在外筒变形作用下钢内筒的内力。

外筒位移采用标准值时，所包含的位移工况如下：

1)恒载(1.0)＋风荷载(1.0)。

2)恒载(1.0)＋风荷载(1.0)。

3)重力荷载代表值(1.0)＋风荷载(0.20)＋水平地震力(1.0)-竖向地震力(0.4)。

4)重力荷载代表值(1.0)＋风荷载(0.20)＋水平地震力(1.0)＋竖向地震力(0.4)。

5)重力荷载代表值(1.0)＋风荷载(0.20)＋水平地震力(0.4)-竖向地震力(1.0)。

6)重力荷载代表值(1.0)＋风荷载(0.20)＋水平地震力(0.4)＋竖向地震力(1.0)。

7)恒载(1.2)＋风荷载(0.28)(用于非正常温度工况)。

悬挂段钢内筒的水平地震作用可只考虑在水平地震作用工况下，钢筋混凝土外筒壁传给悬挂段钢内筒的作用效应，悬挂段钢内筒的惯性力可忽略不计。

钢内筒长度大，其长细比较大，因此在需设置止晃点，以保证内筒的稳定性。止晃装置可分为刚性和柔性两种，本工程利用钢平台设置刚性止晃装置，对钢内筒仅限制水平向位移，不约束由于温度作用引起钢内筒的竖向变形，在钢内筒止晃装置处设置加强环梁，如图6所示。在止晃点处设置了聚四氟乙烯板，可承受止晃平台对钢内筒的水平冲击力，同时其耐磨性好，可满足钢内筒在温度作用下自由伸缩的使用要求。

图  6  止晃点结构

Figure 6.  Guide point structure

悬挂式钢内筒在各段连接处既要考虑上段钢内筒因温度变化产生的膨胀或收缩变形，同时又需保证连接处的密闭性以保证烟囱的正常运行。因此，在连接处需设置膨胀伸缩节，以消除热胀冷缩和烟囱水平位移引起钢内筒在水平、纵向变形的影响，其设计重点在于考虑钢内筒的膨胀伸缩变形，以及满足防止漏水漏气和防腐蚀要求。膨胀伸缩节的竖向间距需设置足够的长度，以满足钢内筒在各温度工况下的自由滑动，既不脱节又不至于发生碰撞。本工程钢内筒采用整体悬挂式，悬挂段长166 m，在极端温度工况下的伸缩变形很大，常规的膨胀伸缩节较难满足要求。因此，采用如图7所示的承插式膨胀伸缩节。采用广东院研发的烟囱膨胀节专用密封液注入槽内，密封液体沸点高达350℃以上，分子结构稳定，不蒸发，可长期保持液态。同时对钢不腐蚀，与烟气酸液不起化学反应，不混合。湿烟囱因烟气冷凝流量较大，冷凝液体流入膨胀伸缩节槽内后能始终浮在密封液体上层，使多余的酸液由筒内壁溢出。由此，无需添加密封液即可达到长期使用的目的，保证烟囱的密封性和耐久性。

图  7  膨胀伸缩节结构

Figure 7.  Expansion joint structure

本工程悬挂平台采用桁架式结构，钢内筒的吊装作业平台和悬挂受力平台分别设置在桁架上下弦钢平台，施工工作面互不干扰，便于施工和缩短工期；通过计算悬挂平台的转动刚度，确定了考虑转动刚度的钢内筒连续梁计算模型，计算得到了合理、准确的内力；采用承插式膨胀伸缩节，并用密封液进行封闭，满足烟囱的密封性和耐久性要求。本文结合工程实践，对整体悬挂式烟囱钢内筒设计的关键问题进行了探讨，以期在后续设计中不断地改进和提高，对整体悬挂式烟囱的应用进行探索和创新。