烟囱是应用很普遍的一种工程结构，结构布置较典型，工艺要求也相对简单，工程中使用砖烟囱和钢筋混凝土烟囱较多，但震害表明，这两种材料的烟囱抗震能力较低，破坏和倒塌严重，而钢制烟囱因强度高、抗震能力好，适合大直径、大高度烟囱的要求，目前在大型厂矿中已得到广泛应用［１ －２］。虽然我国已有现行烟囱的设计规范，其烟道孔的内力可按经验公式计算，但没有考虑对整个烟囱的影响，也没有温度应力对钢烟囱影响的相关条文，而实际烟道孔因使用要求有大有小、有单有双，形状有圆有方，位置有高有低，无论什么情况，烟道孔均破坏了烟囱整体性，且位于烟囱受力较大的底部，势必给整个烟囱的受力和变形造成一定的影响。本文以高５０ｍ，直径为４．４ｍ的实际钢烟囱为例，采用ＡＮＳＹＳ有限元分析程序研究烟道孔对其静、动力特性，温度应力及地震响应的影响，为设计提供参考。
１·计算模型
该实际烟囱由内外两层组成，内层为耐火砖的隔热层，外层为Ｑ２３５钢筒，两者之间留有２０ｍｍ的孔隙，总高为５０ｍ，底部直径为４．４０２ｍ，顶部为３．８１２ｍ，沿高度为变厚度的锥形，厚度从底到顶在６０～１６ｍｍ的范围内变化，烟道孔的直径为３１６４ｍｍ，设置在距筒底７．７４ｍ 处。在研究中，没有考虑两层烟囱的共同作用，只将砖筒的质量等效到钢烟囱的相应位置，并与钢烟囱的自重共同作用在烟囱上。
为研究烟道孔的影响，建立了有、无烟道孔两种烟囱的计算模型。为考虑基础的影响，取１２ｍ×１２ｍ×５ｍ部分基础建模，并取部分烟道以考虑烟道的影响，程序中采用壳单元Ｓｈｅｌｌ　６３模拟烟囱壁面和部分烟道；用梁单元Ｂｅａｍ　４４模拟筒顶的加劲肋；用体单元Ｓｏｌｉｄ　４５模拟基础。约束条件为：除基础顶部为自由表面外，其余５个侧面均视为三向约束，网格划分如图１所示，在以下的研究中，分别计算静、动力特性，温度应力及地震响应等，并进行比较。

２·计算结果与分析
２．１　静力分析
结构静力分析是结构最基本也是最重要的分析内容。该烟囱静力分析的荷载包括自重和风荷载，根据设计资料和ＧＢ　５００５１－２００２《烟囱设计规范》［３］、ＧＢ　５０００９－２００１《建筑结构荷载规范》［４］，烟囱的基本风压ｗ０＝０．６０３　５ｋＮ／ｍ２，体型系数μｓ，高度风振系数βｚ，风压高度变化系数μｚ按文献［４］取值，沿高度简化为４段，每段视为均布荷载，风荷载的标准值分别为ｗＫ１＝０．６６２ｋＮ／ｍ２、ｗＫ２＝０．８８２ｋＮ／ｍ２、ｗＫ３＝２．１８６ｋＮ／ｍ２ 和ｗＫ４＝２．８６８ｋＮ／ｍ２，计算结果如表１所示，应力云图如图２所示。


由表１和图２可知，烟囱在风荷载和自重作用下，无孔模型的应力和变形分布均匀，最大应力发生在筒底；有孔模型使筒顶位移增加１３％，孔边应力集中使其应力分布极不均匀，最大应力增加近２倍，是整个烟囱中最薄弱的部位。可见，烟道孔对孔周围及整个烟囱都有较明显的影响。
２．２　动力特性
烟囱的动力特性分析是用来确定其频率和振型值的，它是后面地震反应谱分析的基础。本文计算了烟囱的前２０阶频率和振型，表２中只列出了前６阶频率及振型特点，第１和第３阶的振型如图３所示。


由表２和图３可见：
１）不论是否有烟道孔，烟囱的第１和第２阶频率均为平动振型，第３阶为扭转振型，且各振型形状基本相似，高振型均以烟囱的上部为主。
２）烟道孔对烟囱的基频影响较大，因开孔使基频减小１０％，但振型形状和无孔模型大体相似。由于无孔模型是典型的弯曲平动，有孔模型为以孔为中心的刚体转动和弯曲，表明烟道孔是烟囱最薄弱的部位。
３）有孔模型对烟囱的高阶动力特性影响较小，因高频振型主要表现在烟筒的上部，下部烟道孔的局部削弱对其影响不明显。
２．３　温度应力
温度荷载是烟囱的重要荷载之一，对钢烟囱尤其重要。该烟囱的温度应力分两种情况研究：其一为烟囱在正常工作时，筒内、外壁温差为６０℃；其二为烟囱在不工作时，因日照作用，使烟囱的一侧面温度为６０℃，另一侧面为２０℃，钢材的线膨胀系数α＝１．２×１０－５℃－１，混凝土的线膨胀系数α＝９．９×１０－６℃－１，计算结果如表３所示。

由表３可见：１）当烟囱壁内外温差为６０℃时，有烟道孔的应力比无烟道孔大８０％以上，此时孔边的Ｍｉｓｅｓ应力已达２００ＭＰａ，在设计中应给予足够的重视。２）日照温差为４０℃时，烟道孔处的Ｍｉｓｅｓ应力比无烟道孔大５８％。３）不论是壁内外温差或日照温差，均对烟筒的位移影响较小。
２．４　地震响应
地震反应谱分析法是一般结构进行抗震计算的基本方法［５］。该法概念明确，计算简便，所得到的最大位移和应力响应可直接用于结构设计，故该烟囱也采用此法进行抗震计算。烟囱所在场地的地震设防烈度为９度，水平地震影响系数α＝０．３２，场地的特征周期为０．３５ｓ，材料的阻尼比为０．０３，仅考虑水平地震作用，取烟囱的前２０阶振型进行完全二次振型组合（ＣＱＣ），其结果如表４所示，应力响应如图４所示。

对上述计算结果进行分析：１）比较图３ａ、图３ｂ与图４发现两者整体形状相同，表明在水平地震作用下，烟囱的第１振型对响应的贡献起了主导作用。２）由图４的应力云图可见，无孔的应力分布均匀，最大应力发生在筒底；而有孔模型的应力分布复杂，最大应力是无孔的３倍，发生在孔边处。３）烟道孔对地震位移响应影响很小。