摘 要

烟囱作为我国工业生产活动中重要建筑之一，具有柔度大、对地震荷载较为敏感的特点。为确保烟囱在服役期间的安全性能，对其进行抗震计算十分必要。玻璃纤维增强复合材料因其良好的理化性能，逐渐运用于烟囱结构中。本文旨在研究自立式玻璃钢烟囱受到地震荷载作用时的应力应变等力学响应，为玻璃钢烟囱设计提供参考依据。

本文参考建筑抗震设计规范并结合玻璃钢烟囱设计规范与相关材料，以总高约为9.7m、筒体半径为0.6m的玻璃钢材料烟囱为研究对象，通过ANSYS通用有限元分析软件建立了该烟囱结构的模拟计算模型。

应用振型分解反应谱法对该烟囱结构有无拉索与不同结构阻尼条件下，在烈度为8度地震荷载作用下的力学响应进行了分析；通过时程分析法模拟实际地震荷载对玻璃钢烟囱的作用情况，计算并比较了不同荷载工况下结构的动力学特征。将两种计算方法所得数据相互对照，验证了结果的准确性。

研究结果表明：拉索结构有利于减小烟囱整体变形、提高结构稳定性；结构阻尼是结构抗震的重要因素之一，改变结构阻尼对结构的抗震性能影响较大；时程分析法参考各地实际地震波形从而设置不同地震荷载参数进行计算时，在不同地震荷载参数情况下所得烟囱各动力学特征差异较大，设计时应考虑响应最大情况作为设计依据。

关键词：自立式玻璃钢烟囱；地震响应；振型分解反应谱法；时程分析法

Abstract

Chimney as one of the important buildings in China's industrial production activities, with a flexible, more sensitive to the characteristics of seismic load. In order to ensure the safety performance of the chimney during service, it is necessary to carry out seismic calculation. Glass fiber reinforced composite materials because of its good physical and chemical properties, and gradually applied to the chimney structure. The purpose of this paper is to study the mechanical response of self - standing FRP chimney subjected to seismic load and provide the reference for the design of FRP chimney.

This article refers to the building seismic design specifications and combined with glass fiber reinforced plastic chimney design specifications and related materials, the simulation model of the chimney structure was established by ANSYS universal finite element analysis software with the glass fiber chimney with a total height of about 9.7 m and a cylinder radius of 0.6 m.

The mechanical response of the chimney structure under the action of seismic load with the intensity of 8 degrees is analyzed by using the vibration spectrum decomposition method of the chimney structure and the damping of different structures. The simulation results show that the seismic load FRP chimney, the dynamic characteristics of the structure under different load conditions were calculated and compared. The data obtained from the two methods are compared with each other to verify the accuracy of the results.

The results show that the cable structure is beneficial to reduce the overall strain of the chimney and improve the structural stability. Structural damping is one of the important factors of structural seismic resistance, and the structural damping has a great influence on the seismic performance of the structure. The dynamic characteristics of the chimneys obtained under different seismic load parameters are different when the actual seismic waveforms are calculated with reference to the actual seismic waveforms. The most dangerous situation should be taken as the design basis.

Key words: Self - standing FRP chimney; Seismic response; Mode decomposition response spectrum method; Time course analysis method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 玻璃钢烟囱国内外的研究现状 2

1.3 本文的主要研究内容与目的 3

第2章 自立式玻璃钢烟囱结构及有限元模型 4

2.1 自立式玻璃钢烟囱结构 4

2.1.1 烟囱结构材料 4

2.1.2 玻璃钢复合材料烟囱的结构形式 5

2.2 建立有限元模型 7

2.2.1 ANSYS模拟单元的选取 7

2.2.2 自立式玻璃钢烟囱有限元模型 9

2.3 本章小结 10

第3章 烟囱地震作用下数值分析理论 11

3.1 振型分解反应谱法 11

3.2 时程分析法 12

3.2.1 线性加速度法 12

3.2.2 Wilson-θ法 13

3.3 地震波的选取 14

3.4 本章小结 14

第4章 烟囱地震响应有限元分析 15

4.1 模态分析 15

4.1.1 ANSYS模态分析法 15

4.1.2 模态分析结果 16

4.2 反应谱分析 17

4.2.1 地震工况 17

4.2.2 反应谱分析结果 17

4.3 时程分析 21

4.3.1 地震波选取 21

4.3.2 阻尼的取值 22

4.3.3时程分析结果 22

4.4 结果分析 28

4.4.1强度校核 28

4.4.2刚度校核 31

4.5无拉索烟囱的力学响应 32

4.6 本章小结 35

第5章 总结与展望 36

5.1全文总结 36

5.2展望 36

参考文献 38

致谢 40

绪论

1.1 研究背景

烟囱通过烟囱效应，利用室内、室外的温度差所导致的空气密度差将室内气体通过高层孔洞排出，而密度较大的室外冷空气体则由建筑低层渗入补充，从而达到净化室内空气的作用。烟囱作为最古老、最重要的防污装置之一，一直在人们的日常生活与工业发展等活动中扮演着不可或缺的重要作用。

玻璃钢是以玻璃纤维作为增强材料、多种树脂作为基体材料制成的新型复合材料。增强材料在玻璃钢承受荷载的过程中起主要作用，由它来提供玻璃钢的强度与刚度；基体材料在其受力过程中起支撑作用，它负责支持和固定纤维增强材料，起到传递纤维间荷载、防止纤维材料应变过大而发生破坏等作用^[15]。玻璃钢复合材料具有优良的物理性能：(1)轻质高强，在航空、宇宙飞行器、火箭、高压容器等需要控制自重的工业结构中前景突出。(2)耐腐蚀性能好。玻璃钢复合材料相对于木材、钢材与有色金属而言耐腐蚀性能更强，对于一般浓度的酸、碱、盐等溶剂的抵抗能力较好，如今正逐渐运用于化工生产等各个领域。(3)导热性能良好。玻璃钢热导率低，仅为金属材料的1/100~1/1000，耐烧蚀性强、线膨胀系数小，由温度差所导致的热应力比金属小得多。(4)可设计程度高。通过设计不同的材料铺层来满足实际工况下所需要的耐高温、耐腐蚀等特定化学性能。同时通过调整结构层材料、结构层厚度、缠绕角度等设计来控制整体力学性能，增大结构承载能力的同时缩减生产所需加工成本。

由于玻璃钢复合材料较为优异的理化性能，玻璃钢材复合材料烟囱具有生产周期短、生产成本低、制作简单、安装方便、强度比高、使用寿命长、耐高温和耐腐蚀性优良等钢结构与混凝土结构无法取代的优点。且由于可塑性高，可以十分便捷的增设喷淋器、过滤网等构件降低所排出气体中的有害成分。现阶段玻璃钢烟囱的主体结构大多为在基体上通过缠绕工艺增设加强材料成型的复合筒体结构制成，在发电设施、化工产业、金属冶炼等工业生产中作为强腐蚀性和高温废气的处理设备广泛应用。通过国外的大量案例，特别是美国近几年大量采用玻璃钢复合材料制作脱硫烟囱的实际情况，证明了玻璃钢相较于传统材料在该领域内的不可替代性。