中华人民共和国国家标准烟囱设计规范.docx
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中华人民共和国国家标准烟囱设计规范
中华人民共和国国家标准
烟囱设计规范
Codefordesingofchinmeys
GB50051━2002
主编部门：
中华人民共和国建设部
批准部门：
中华人民共和国建设部
施行日期：
2003年5月1日
中华人民共和国建设部公告
第101号
建设部关于发布国家标准
《烟囱设计规范》的公告
1总则
1.0.1为了在烟囱设计中贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，制定本规范。
1.0.2本规范用于砖烟囱、钢筋混凝土烟囱、钢烟囱、套筒式烟囱、多管式烟囱、烟囱基础和烟道设计。
1.0.3本规范是按照国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）和国家标准《建筑结构设计术语和符号标准》（GB/T50083）规定的原则制定的。
1.0.4烟囱设计除应符合本规范规定外，尚应符合国家现行的有关强制性标准的规定。
1.0.5本规范采用的设计基准期为50年。
2术语、符号
2.1术语
2.1.1烟囱chimney
用于排放工业与民用炉窑高温烟气的高耸构筑物。
2.1.2筒身shafi
烟囱基础以上部分，包括筒壁、隔热层和内衬等部分。
2.1.3筒壁shell
烟囱筒身的最外层结构，用于保证筒身稳定。
2.1.4隔热层insulation
置于筒壁与内衬之间，使筒壁受热温度不超过规定的最高温度。
2.1.5内衬lining
分段支承在筒壁牛腿之上的自承重砌体结构，对隔热层起到保护作用。
2.1.6钢烟囱steelchimney
筒壁材质为钢材的烟囱。
2.1.7钢筋混凝土烟囱reinforcedconcretechimney
筒壁材质为钢筋混凝土的烟囱。
2.1.8砖烟囱brickchimney
筒壁材质为砖砌体的烟囱。
2.1.9自立式钢烟囱selfsupportingsteelchimney
筒身在不加任何附加受力支撑条件下，与基础一起构成一个稳定结构的钢烟囱。
2.1.10拉索式钢烟囱guyedsteelchimney
筒身与拉索共同组成稳定体系的钢烟囱。
2.1.11塔架式钢烟囱framedsteelchimney
筒身与塔架共同组成稳定体系的钢烟囱。
2.1.12单筒式烟囱singletubechimney
内衬分段支承在筒壁上的普通烟囱。
2.1.13套筒式烟囱tube-in-tubechinlney
筒壁内设置一个排烟筒的烟囱。
2.1.14多管式烟囱multi-fluechimney
两个或多个排烟筒共用一个筒壁或塔架组成的烟囱。
2.1.15烟道flue
排烟系统的一部分，用以将烟气从炉窑导入烟囱。
2.1.16横风向风振across-windsympatheticvibration
在烟囱背风侧产生的旋涡脱落频率较稳定且与结构自振频率相等时，产生的横风向的共振现象。
2.1.17临界风速criticalwindspeed
结构产生横风向共振时的风速。
2.1.18锁住区lockinrange
风的旋涡脱落频率与结构自振频率相等的范围。
2.1.19破风圈strake（vane）
用于破坏风的旋涡脱落规律的稳定装置。
2.1.20温度作用temperatureaction
结构或构件受到外部或内部条件约束，当外界温度变化时或在有温差的条件下，不能自由胀缩而产生的作用。
2.1.21传热系数heattransfercoefficient
结构两侧空气温差为1K，在单位时间内通过结构单位面积的传热量，单位：
w/（m2·K）。
2.1.22导热系数thermalconductivity
材料导热特性的一个物理指标。
数值上等于热流密度除以负温度梯度。
单位：
W/（m·K）。
2.1.23附加弯矩additionalbendingmoment
因结构侧向变形，结构自重荷载在结构各水平截面产生的弯矩。
2.1.24航空障碍灯warninglamp
在机场一定范围内，用于标识高耸构筑物或高层建筑外形轮廓与高度、对航空飞行器起到警示作用的灯具。
2.1.25板式基础matfoundation
支承整个建筑或构筑物的大面积钢筋混凝土板基础。
2.1.26圆形基础circularfoundation
平面外形为圆形的板式基础。
2.1.27环形基础ring-likefoundation
平面外形为环形的板式基础。
2.1.28壳体基础shellfoundation
以壳体结构形成的空间薄壁基础。
2.2符号
2.2.1作用、作用效应和有关系数
2.2.2材料性能和有关系数
2.2.3几何参数
2.2.4其他
3材料
3.1砖石
3.1.1砖烟囱筒壁的材料应按下列规定采用：
烧结普通粘土砖强度等级不应低于MU10，水泥石灰混合砂浆强度等级不应低于M5。
3.1.2烟囱及烟道的内衬材料可按下列规定采用：
1当烟气温度低于400℃时，可采用强度等级为MU10的烧结普通粘土砖和强度等级为M2.5的混合砂浆；
2当烟气温度为400～500℃时，可采用强度等级为MU10的烧结普通粘土砖和耐热砂浆；
3当烟气温度高于500℃时，可采甩粘土质耐火砖和粘土质火泥泥浆，也可采用耐热混凝土。
3.1.3石砌基础的材料应采用未风化的天然石材，并应根据地基土的潮湿程度按下列规定采用：
1当地基土稍湿时，应采用强度等级不低于MU30的石材和强度等级不低于M5的水泥砂浆砌筑；
2当地基土很湿时，应采用强度等级不低于MU30的石材和强度等级不低于M7.5的水泥砂浆砌筑；
3当地基土合水饱和时，应采用强度等级不低于MU40的石材和强度等级不低于M10的水泥砂浆砌筑。
3.1.4砖砌体在温度作用下的抗压强度设计值和弹性模量，可不考虑温度的影响，按国家标准《砌体结构设计规范》（GB50003）的规定采用。
3.1.5砖砌体在温度作用下的线膨胀系数αm可按下列规定采用：
1当砌体受热温度T为20～200℃时，αm可采用5×10-6/℃；
2当砌体受热温度T＞200℃，但T≤400℃时，αm可按下式确定：
3.2混凝土
3.2.1钢筋混凝土烟囱筒壁的混凝土宜按下列规定采用：
1混凝土宜采用普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥配制，强度等级不应低于C25；
2混凝土的水灰比不宜大于0.5，每立方米混凝土水泥用量不应超过450kg；
3混凝土的骨料应坚硬致密，粗骨料宜采用玄武岩、闪长岩、花岗岩、石灰岩等破碎的碎石或河卵石。
细骨料宜采用天然砂，也可采用上述岩石经破碎筛分后的产品，但不得含有金属矿物、云母、硫酸化合物和硫化物；
4粗骨料粒径不应超过筒壁厚度的1/5和钢筋净距的3/4，同时最大粒径不应超过60mm。
3.2.2基础及烟道的混凝土强度等级按下列规定采用：
1刚性基础不应低于C15；
2板式基础不应低于C20；
3壳体基础不宜低于C30：
4烟道不应低于C20。
3.2.3混凝土在温度作用下的强度标准值应按表3.2.3的规定采用。
3.2.4受热温度值应按以下规定采用：
1轴心受压及轴心受拉时取计算截面的平均温度；
2弯曲受压时取表面最高受热温度。
3.2.5混凝土在温度作用下的强度设计值应按下列公式计算：
表3.2.5混凝土在温度作用下的材料分项系数
序号
构件名称
γct
γtt
1
筒壁
1.85
1.50
2
壳体基础
1.60
1.40
3
其他构件
1.40
1.40
3.2.6混凝土在温度作用下的弹性模量应考虑温度折减，按下式计算。
表3.2.6混凝土弹性模量折减系数βc
系数
受热温度（℃）
受热温度的取值
20
60
100
150
200
承载能力极限状态计算
时，取筒壁、壳体基础等
的平均温度。
正常使用极限状态计算时，取筒壁内
表面温度
βc
1.00
0.85
0.75
0.62
0.55
注：
温度为中间值时，应采用线性插入法计算。
3.2.7混凝土的线膨胀系数αc可采用1.0×10-5/℃。
3.3钢筋和钢材
3.3.1钢筋混凝土筒壁的配筋宜采用HRB335级钢筋。
砖筒壁的环向钢筋可采用HPB235级钢筋。
其质量应分别符合国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499）和《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（GB13013）的规定。
3.3.2HPB235和HRB335钢筋的强度标准值应按表3.3.2的规定采用。
3.3.3HPB235和HRB335级钢筋的强度设计值应按下列公式计算：
表3.3.3钢筋在温度作用下的材料分项系数
序号
构件名称
γyt
1
钢筋混凝土筒壁
0.6
2
壳体基础
1.2
3
砖筒壁坚筋
1.9
4
砖筒壁环筋
1.6
5
其他构件`
1.1
3.3.4钢烟囱的钢材、钢筋混凝土烟囱及砖烟囱附件的钢材除满足下列规定外，还应符合国家标准《钢结构设计规范》（GB50017）的规定。
1钢烟囱塔架和筒壁可采用Q235、Q345、Q390、Q420钢。
其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》（GB700）和《低合金高强度结构钢》（GB/T1591）的规定。
2处在大气潮湿地区的钢烟囱塔架和筒壁或排放烟气属于中等腐蚀性的筒壁宜采用Q235NH、Q295NH或Q355NH可焊接低合金耐候钢。
其质量应符合国家标准《焊接结构用耐候钢》（GB/T4172）。
腐蚀性烟气分级按本规范第10章的规定执行。
3烟囱的平台、爬梯和砖烟囱的环箍宜采用Q235钢。
3.3.5当作用温度小于或等于100℃时，钢材和焊缝的强度设计值应按国家标准《钢结构设计规范》（GB50017）的规定采用。
对未作规定的耐候钢应按表3.3.5-1和表3.3.5-2的规定采用。
3.3.6Q235、Q345、Q390和Q420钢材及其焊缝在温度作用下的强度设计值应按下列公式计算：
耐候钢在温度作用下钢材和焊缝的强度设计值的温度折减系数宜要求供货厂商提供或通过试验确定。
3.3.7钢筋在温度作用下的弹性模量可不考虑温度折减，应按国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010）采用。
钢材在温度作用下的弹性模量应考虑折减，按下式计算：
3.3.8钢筋和钢材的线膨胀系数αs可采用1.2×10-5/℃。
3.4材料热工计算指标
3.4.1隔热材料应采用无机材料，其干燥状态下的重力密度不宜大于8kN/m3。
常用的隔热材料有：
硅藻土砖、膨胀珍珠岩、水泥膨胀珍珠岩制品、高炉水渣、矿渣棉和岩棉等。
3.4.2材料的热工计算指标，应按实际试验资料确定，当无试验资料时，对几种常用的材料，干燥状态下可按表3.4.2的规定采用。
在确定材料的热工计算指标时，应考虑下列因素对隔热材料导热性能的影响：
1对于松散型隔热材料，应考虑由于运输、捆扎、堆放等原因所造成的导热系数增大的影响；
2对于烟气温度低于150℃时，宜采用憎水性隔热材料，否则应考虑湿度对导热性能的影响。
4设计基本规定
4.1设计原则
4.1.1本规范采用以概率论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，以荷载、材料性能等代表值、结构重要性系数、分项系数、组合值系数的设计表达式进行计算。
4.1.2整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。
极限状态对应于烟囱可分为下列两类：
1承载能力极限状态：
这种极限状态对应于烟囱结构的内力达到其最大承载力；
2正常使用极限状态：
这种极限状态对应于烟囱的应力和裂缝分别达到正常使用和耐久性能的规定限值，并满足本规范各章有关规定。
4.1.3对于承载能力极限状态，烟囱应按荷载效应和地震作用效应的基本组合进行设计。
对于正常使用极限状态，应按荷载效应标准组合进行设计。
4.1.4烟囱应根据其高度按表4.1.4划分为两个安全等级。
表4.1.4烟囱的安全等级
安全等级
烟囱高度（m）
一级
≥200
二级
＜200
注：
对于电厂烟囱的安全等级还应同量按照电厂单机容量进行划分。
当单机容
量大于或等于200兆瓦（MW）时为一级，否则为二级。
4.1.5烟囱承载能力极限状态设计应按下列荷载效应基本组合中的最不利值确定:
4.1.6对安全等级为一级或设计工作寿命为100年以上的烟囱，烟囱的重要性系数γo不应小于1.1，其他情况不应小于1.0。
烟囱的设计工作寿命应同其配套使用的建（构）筑物的设计工作寿命相同。
4.1.7承载能力极限状态计算时，荷载效应基本组合的分项系数应按表4.1.7的规定采用。
4.1.8承载能力极限状态计算时，应按表4.1.8的规定考虑可能发生的荷载效应基本组合情况，采用相应的组合值系数。
4.1.9地震区的烟囱尚应采用地震作用效应与其他荷载效应的基本组合，按下列承载能力极限状态设计表达式进行截面抗震验算：
4.1.10烟囱的正常使用极限状态应根据不同目的分别按荷载效应和温度作用效应的标准组合或准永久组合进行设计，并应满足本规范规定的各项限值。
1标准组合应用于验算钢筋混凝土烟囱筒壁的混凝土压应力、钢筋拉应力及裂缝宽度，应按下式确定：
4.1.11荷载效应及温度作用效应的标准组合应考虑表4.1.11的两种情况，并采用相应的组合值系数。
表4.1.11荷载效应和温度作用效应的标准组合值系数
荷载和温度作用的效应组合
组合值系数
注
情况
永久荷载
第一个可变系数
其他可变系数
ψcW
ψcMa
Ⅰ
G
T
W+Ma
1.0
1.0
用于计算水平截面
Ⅱ
-
T
-
-
-
用于计算垂直截面
注：
T表示温度作用
4.2一般规定
4.2.1设计烟囱时，应根据使用条件、烟囱高度、材料供应及施工条件等因素，确定采用砖烟囱、钢筋混凝土烟囱或钢烟囱。
下列情况不宜采用砖烟囱：
1重要的或高度大于60m的烟囱；
2地震设防烈度为9度地区的烟囱；
3地震设防烈度为8度时，Ⅲ、Ⅱ类场地的烟囱。
4.2.2烟囱内衬的设置应符合下列规定：
1砖烟囱
l）当烟气温度大于400℃时，内衬应沿筒壁全高设置；
2）烟气温度小于或等于400℃时，内衬可在筒壁下部局部设置并应符合构造要求。
2钢筋混凝土烟囱的内衬应沿筒壁全高设置。
4.2.3烟囱基础一般宜采用板式基础。
板式基础可以是环形或圆形的。
在条件允许时，可采用壳体基础。
对于高度较小且为地上烟道入口的砖烟囱，亦可采用毛石砌体或毛石混凝土刚性基础。
4.2.4筒壁的计算截面位置应按下列规定采用：
1水平截面应取筒壁各节的底截面；
2垂直截面可取各节底部单位高度的截面。
4.3烟自受热温度允许值
4.3.1烟囱筒壁和基础的受热温度应符合下列规定：
1烧结普通粘土砖筒壁的最高受热温度不应超过400℃；
2钢筋混凝土筒壁和基础以及素混凝土基础的最高受热温度不应超过150℃；
3钢烟囱筒壁的最高受热温度应符合表4.3.1的规定。
表4.3.1钢烟囱筒壁的最高受热温度
钢材
最高受热温度（℃）
注
炭素结构钢
250
用于沸腾钢
350
用于镇静钢
低合金结构钢和可焊接低合金耐候钢
400
4.4钢筋混凝土烟囱筒壁的规定限值
4.4.1对正常使用极限状态，按荷载效应和温度作用效应的标准组合计算钢筋混凝土烟囱筒壁的混凝土压应力和门筋拉力时，计算所得的应力值应符合本规范第7.4.1条第1款的规定。
4.4.2对正常使用极限状态，按荷载效应和温度作用效应的标准组合并考虑裂缝宽度分布不均匀性和长期作用影响时，计算所得的最大水平裂缝宽度和最大垂直裂缝宽度不应大于表4.4.2规定的最大裂缝宽度限值。
部位
环境类别
最大裂缝宽度限值
筒壁顶部20m范围内
一、二、三
0.15
其余部位
一、二
0.30
三
0.20
注：
环境类别按国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010）的规定确定
5荷载与作用
5.1荷载与作用的分类
5.1.1烟囱的荷载与作用可分为下列三类：
1永久性荷载与作用：
结构自重、土重、土压力、拉线的拉力；
2可变荷载与作用：
风荷载、烟气温度作用、雪荷载、安装检修荷载、平台活荷载、裹冰荷载、大气温度作用、常遇地震作用、烟气压力及地基沉陷等；
3偶然荷载：
罕遇地震作用、拉线断线、憧击、爆炸等。
5.1.2本规范仅列出风荷载、地震作用、烟气温度作用等需加明确的内容。
凡本规范未予强调的荷载与作用，均按国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009）和《建筑抗震设计规范》（GB50011）的规定采用。
5.2风荷载
5.2.1基本风压按国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009）规定的50年一遇的风压采用，但基本风压不得小于0.35kN/m2。
对于安全等级为一级的烟囱，基本风压应按100年一遇的风压采用。
5.2.2计算塔架式钢烟囱风荷载时，可不考虑塔架与排烟筒的相互影响，可分别计算塔架和排烟筒的基本风荷载。
5.2.3塔架式钢烟囱的排烟筒为两个和两个以上时，排烟筒的风荷载体型系数，应由风洞试验确定。
5.2.4当烟囱坡度≤2%时，对于钢筋混凝土烟囱、钢烟囱（不含塔架式钢烟囱）应按国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009）的规定验算横风向风振影响。
当按国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009）判断烟囱可能出现跨临界强风共振时，对于第1振型横风向风振，当烟囱顶端设计风压值ωh，满足（5.2.4-1）式时，烟囱承载能力极限状态仍由顺风向设计风压控制。
5.2.5当不满足（5.2.4-1）式时，第1振型横风向风振可能起控制作用，应计算横风向风振效应（弯矩和剪力）。
1横风向风振锁住区，最不利起点高度H1按下列公式计算：
5.3安装检修荷载
5.3.1套筒式或多管式钢筋混凝土烟囱，应根据内筒的结构形式与施工方法，考虑吊装和检修荷载。
5.3.2塔架式钢烟囱应考虑施工及检修荷载。
5.4裹冰荷载
5.4.1拉索式钢烟囱的拉索，塔架式钢烟囱的塔架，如符合裹冰气象条件时，应考虑裹冰荷载。
裹冰荷载的计算原则，可按国家标准《高耸结构设计规范》（GB50135）的有关规定进行计算。
5.5地震作用
5.5.1本节的规定适用于地震设防烈度为6度到9度地震区的烟囱抗震设计。
1本规范未作规定的均按国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011）的规定执行。
在进行水平抗震验算时，钢筋混凝土烟囱和砖烟囱的结构阻尼比可取0.05，钢烟囱可取0.01；
26度和7度地震区可不考虑竖向地震作用，8度和9度地震区应考虑竖向地震作用。
5.5.2设防烈度为6度时，Ⅰ、Ⅱ类场地的砖烟囱，可以仅配置环箍或环筋，否则应按本规范第6.5节的规定配置竖向钢筋。
5.5.3下列烟囱可不进行截面抗震验算，但应满足抗震构造要求：
1设防烈度为7度时，Ⅰ、Ⅱ类场地，且基本风压ωo≥0.5kN/m2的钢筋混凝土烟囱；
2设防烈度为7度时，Ⅰ、Ⅱ类场地和8度时，Ⅰ、Ⅱ类场地，且高度不超过45m的砖烟囱。
5.5.4烟囱的水平地震作用计算可采用下列计算方法：
1烟囱高度不超过100m，可采用本规范5.5.5条的简化计算方法；
2除第一款以外的烟囱宜采用振型分解反应谱法计算。
采用振型分解反应谱法时，高度不超过150m时，宜考虑前3个振型组合；高度超过150m时，宜考虑前3～5个振型组合；高度超过210m时，考虑的振型数量不应少于5个。
5.5.5独立烟囱采用简化法进行抗震计算时，应按下列规定计算水平地震作用标准值产生的作用效应：
1烟囱底部地震弯矩及剪力，应按下列公式计算：
0.40
0.60
0.80
1.00
1.10
1.15
1.05
0.55
0.55
0.70
0.85
1.00
1.10
1.10
0.65
0.55
0.65
0.75
0.90
1.05
1.10
0.90
0.55
0.60
0.65
0.75
0.85
0.95
2烟囱基本自振周期T1可分别按下列公式确定：
5.5.6在竖向地震作用下，烟囱的竖向地震作用标准值可按下列公式计算：
注：
1套筒式或多筒式烟囱，当采用自承重式排烟筒时，上式中的GiE及GE不包括排烟筒重量。
当采用平台支承排烟筒时，则平台及排烟筒重量通过平台传给外承重筒，在GiE及GE中应计入平台及排烟筒重量，但应按（5.5.7）式对平台及排烟筒重量进行振动效应折减。
2构架式钢烟囱，可仅计算构架的竖向地震作用。
3kv=0.1和kv=0.2分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。
5.5.7套筒式或多管式烟囱，当采用平台承受排烟筒重力荷载时，排烟筒及平台自重荷载，应乘以平台及排烟筒重力荷载振动效应折减系数β：
注：
当为多层支承平台时，可取中间一层平台的一根主梁为代表，不需每层分别计算β值。
5.6温度作用
5.6.1烟囱内部的烟气温度，应按烟囱使用时的最高温度采用。
注：
如因除尘和余热利用等原因，进入烟囱的烟气温度远低于炉内温度时，应注意考虑由于降温设备故障而出现的事故性高温。
5.6.2烟囱外部的空气温度，应按下列规定采用：
1计算烟囱最高受热温度和确定材料在温度作用下的折减系数时，应采用极端最高温度；
2计算筒壁温度差时，应采用极端最低温度。
5.6.3筒身计算出的各点受热温度，均不应大于本规范4.3.1条及表3.4.2规定的相应材料最高使用温度允许值。
5.6.4烟囱筒壁及基础环壁外半径（r2）与内半径（r1）的比值小于1.1时（r2/r1＜1.1），可采用平壁法计算受热温度。
否则，应采用环壁法计算受热温度。
5.6.5采用平壁法或环壁法计算内衬、隔热层、筒壁或基础环壁、烟道壁各点的受热温度（图5.6.5）可按下式计算：
5.6.6按平壁法计算时，内衬、隔热层和筒壁等的总热阻按下式计算：
5.6.7按环壁法计算内衬、隔热层和筒壁等各点受热温度时（图5.6.7），内衬、隔热层和筒壁等的总热阻按下式计算：
式中do、d1、d2、d3分别为内衬、隔热层和筒壁内直径及筒壁或计算土层的外直径（m），其余符号含义同本规范第5.6.6条。
5.6.8内衬内表面的传热系数和筒壁或计算土层外表面的传热系数，可分别按表5.6.8-1及表5.6.8-2采用。
6砖烟囱
6.1一般规定
6.1.1砖烟囱筒壁设计，
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