中华人民共和国国家标准烟囱设计规范GB 50051━2002条 文 说 明 1
1 总 则
1.0.2 本规范是原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）的修订本。在这次修订中，除了采用概率理论进行设计外，还增加了多管式和套筒式钢筋混凝土烟囱、钢烟囱、烟囱的防腐蚀和烟道等新的内容。其中多管式和套筒式钢筋混凝土烟囱，是20 世纪80 年代中后期才开始在工程（主要是电力工程）中采用的新式烟囱。这种烟囱形式不仅有了一定的工程实践经验，而且有较强的发展势头。钢烟囱近年来也采用较多，特别是在地基比较软弱地区和化工系统中的小型烟囱，采用钢烟囱较多。烟囱的防腐蚀是烟囱设计中的一项主要内容，近年来发现低温烟囱腐蚀现象比较严重且普遍。针对上述情况，在这次《烟囱设计规范》修订中，增加了这部分内容。
关于烟道我国尚无规范。在设计工作中一般均依据现有参考资料去做。在编制原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）时，由于当时资料有限，也缺乏试验研究，因此没有列入规范。在这次规范修订中，根据现有资料及工程实践经验，增加了这部分内容。总的来看，新增加的这些内容，还有待于不断总结经验，使其逐步完善和提高。
1.0.4 《烟囱设计规范》涉及的现行规范较多，这些规范都是近年来对原规范修订而成。其中有些规定对原规范进行了较大修改。这些规范的修改内容，都直接影响本规范，有些还影响较大。在本规范修订时，与有关的现行规范均进行了协调，但发现现行规范中，有些规定并不完全适用于烟囱设计，本规范根据烟囱的特点做了一些特殊规定。
3 材 料
3.1 砖 石
3.1.1 砖烟囱筒壁材料的选用：
1 砖的强度等级，从对砖烟囱的调查研究发现，砖的强度等级低于或等于MU7.5 时，砌体的耐久性差，容易风化腐蚀。特别是处于潮湿环境或具有腐蚀性介质作用时更为突出。故将砖的强度等级提高一级，规定其强度等级不应低于MU10。
2 烟气中一般都含有不同程度的腐蚀介质，烟囱筒壁一般会受到烟气腐蚀的作用。在调查的砖烟囱中，发现砂浆被腐蚀后丧失强度，用手很容易将砂浆剥落。但砖仍具有一定的强度，说明砂浆的耐腐蚀性不如砖。从调研中还可以看到烟囱筒首部分腐蚀更为严重，砂浆疏松剥落。因此，从耐腐蚀上要求砂浆强度等级不应低于M5。
通过对配筋砖烟囱调查发现：用M2.5混合砂浆砌筑配有环向钢筋的砖筒壁，由于砂浆强度低，密实性差，钢筋锈蚀严重，钢筋周围有褐色锈斑，钢筋与砂浆粘结不好，难以保证共同工作。而用M5混合砂浆砌筑的烟囱投产使用多年，烟囱外表无明显裂缝，凿开后钢筋锈蚀较轻，砂浆密实饱满。所以，从防止钢筋锈蚀和保证钢筋与砂浆共同工作出发，砖筒壁的砂浆强度等级也不应低于M5。
3.1.2 烟囱及烟道内衬材料的规定：在已投产使用的烟囱中，内衬开裂是比较普遍存在的问题。有的烟囱内衬在温度反复作用下，开裂长达几米或十几米，且沿整个壁厚贯通。内衬的开裂导致筒壁受热温度升高并产生裂缝，内衬已成为烟囱正常使用下的薄弱环节。开裂严重直接影响烟囱的正常使用。因此，在内衬材料的选择上应予以重视。
内衬直接受烟气温度及烟气中腐蚀性介质的作用，因此内衬材料应根据烟气温度及腐蚀程度选择，依据烟气温度，可选用烧结普通粘土砖或粘土质耐火砖做内衬；当烟气中含有较强的腐蚀性介质时，按正文第10章有关规定执行。
3.2 混 凝 土
3.2.1 钢筋混凝土烟囱筒壁混凝土的采用有以下考虑：
1 普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥除具有一般水泥特性外尚有抗硫酸盐侵蚀性好的优点。适合用于烟囱筒壁。但矿渣硅酸盐水泥抗冻性差，平均气温在10℃以下时不宜使用。
2 对混凝土水灰比和水泥用量的限制是为了减少混凝土中水泥石和粗骨料之间在较高温度作用时的变形差。水泥石在第一次受热时产生较大收缩。含水量愈大，收缩变形愈大。骨料受热后则膨胀。而水泥石与骨料间的变形差增大的结果导致混凝土产生更大内应力和更多内部微细裂缝，从而降低混凝土强度。限制水泥用量的目的也是为了不使水泥石过多，产生过大的收缩变形。
3 对粗骨料粒径的限制也可减少它与水泥石之间的变形差。
3.2.2 原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）对烟囱基础的混凝土强度等级规定偏低。在调研中发现当设有地下烟道的烟囱基础受到烟气温度作用后，混凝土开裂、疏松现象普遍，严重的已烧坏。并且作为高耸构筑物的基础，混凝土强度等级应高于一般基础。为此，本条作了适当提高。
3.2.3 原规范未列入混凝土在温度作用下的强度标准值。《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068）要求："......在各类材料的结构设计与施工规范中，应对材料和构件的力学性能、几何参数等质量特征提出明确的要求。......"。为此，本规范作了补充。
温度作用下混凝土试件各类强度可以用下列随机方程表达：
本规范根据国内外375 个γx的试验子样按不同强度类别及不同温度进行参数估计和分布假设检验得到各项统计参数及判断--不拒绝韦伯分布。对随机变量fx则全部采用了国家标准《混凝土结构设计规范》（GBJ 10-89）中的统计参数求得各种强度等级及不同强度类别的fx的密度函数。根据γx及fx的密度函数，采用统计模拟方法（蒙脱卡洛法）即可采集到fxt的子样数据。再经统计检验得fxt的各项统计参数及概率密度函数为正态分布。最后，混凝土在温度作用下的各类强度标准值按下式计算：
表3.2.3 中的数值根据计算结果作了少量调整，见表1。
3.2.5 本条对混凝土强度设计值的规定是按工程经验校准法计算确定的。
考虑烟囱竖向浇灌施工和养护条件与一般水平构件的差异，原《烟囱设计规范》（GBJ51-83）规定的混凝土在温度作用下的轴心抗压设计强度乘以一个0.7的折减系数。由于施工工艺的改善与养护技术的提高，这一系数适当提高一些是必要的。本次规范修订将这一系数提高为0.8，据此进行工程经验校准，得到混凝土在温度作用下的轴心抗压强度材料分项系数为1.85。
3.2.6 本规范利用采集到的320 个混凝土在温度作用下的弹性模量试验数据，用参数估计和概率分布的假设检验方法，取保证率为50％来计算弹性模量标准值。所得结果推算成折减系数与原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）比较接近，故不作变更。
3.3 钢筋和钢材
3.3.1 对钢筋混凝土筒壁未推荐采用HPB 235（光圆钢筋），因为在温度作用下光圆钢筋与混凝土的粘结力显著下降。如温度为100℃时，约为常温的3/4。温度为200℃时，约为常温的1/2。温度为450℃时，粘结力全部破坏。本规范对高强度钢筋HRB 400 和RRB400 也未作推荐，因为当钢筋应力过高时，会引起裂缝宽度过大。为了减小裂缝宽度，采取了控制钢筋拉应力的措施。
3.3.2 国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010）对热轧钢筋在常温下的标准值都已作出规定。而原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）对热轧钢筋在温度作用下的强度折减系数也已有规定。由于试验数据匾乏，无条件对钢筋在温度作用下的强度标准值作统计分析。本条所列的强度标准值的取值方法是常温下热轧钢筋的强度标准值乘以温度折减系数。
3.3.3 钢筋的强度设计值的分项系数是按工程经验校正法确定。
3.3.5 耐候钢的抗拉、抗压和抗弯强度设计值是以国家标准《焊接结构用耐候钢》（GB/T4172）规定的钢材屈服强度除以抗力分项系数而得。其他则按国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017）换算公式计算。本条对耐候钢的角焊缝强度设计值适当降低，相当于增加了一定的腐蚀裕度。
3.3.6 对Q235、Q345、Q390 和Q420 钢材强度设计值的温度折减系数是采用欧洲钢结构协会（ECCS）的规定值。这些数值我国过去一直沿用，而且与上海交通大学和同济大学对Q235 和Q345 的试验结果也比较接近。对于耐候钢，由于试验资料匾乏，未作规定。我国济钢集团总公司对其生产的耐硫酸露点腐蚀钢12MnCuCr（V）（相当于Q295NH）钢材进行了性能试验，其可焊性和耐硫
酸腐蚀性效果都较好。高温拉伸试验结果，其屈服强度的温度折减系数可作为设计参考，见表2。
3.3.7 由于限制了钢筋混凝土筒壁和基础的最高受热温度不超过150℃，钢筋弹性模量降低很少。为使计算简化，本条规定了筒壁和基础的钢筋弹性模量不予折减。
钢烟囱的最高受热温度规定为400℃。因此钢材在温度作用下的弹性模量应予折减。为与屈服强度折减系数配套，本条也采用了欧洲钢结构协会（ECCS）的规定。
3.4 材料热工计算指标
3.4.1 隔热材料应采用重力密度小，隔热性能好的无机材料。隔热材料宜为整体性好、不易破碎和变形、吸水率低、具有一定强度并便于施工的轻质材料。根据烟气温度及材料最高使用温度确定材料的种类。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、岩棉、矿渣棉等。
3.4.2 材料的热工计算指标离散性较大，应按所选用的材料实际试验资料确定。但有的生产厂家无产品性能指标试验资料提供时，可按正文表3.4.2 采用。
导热系数是建筑材料的热物理特性指标之一，单位为瓦（特）每米开（尔文）[w/（m.K）]。说明材料传递热量的能力。导热系数除与材料的重力密度、湿度有关外，尚与温度有关，材料重力密度小，其导热系数小；材料湿度大，其导热系数就愈大。烟囱隔热层处于工作状态时，一般材料应为干燥状态。由于施工方法（如双滑或内砌外滑）或使用不当，致使隔热材料有一定湿度，应采取措施尽量控制材料的湿度，或根据实践经验考虑湿度对导热系数的影响。材料随受热温度的提高，导热系数增大。对烟囱来说，一般烟气温度较高，温度对导热系数的影响不能忽略。在计算筒身各层受热温度时，应采用相应温度下的导热系数。在烟囱计算中，按下式来表达：
要准确地给出材料的导热系数是比较困难的，本规范给出的导热系数数值，参考了有关资料和规范，以及国内各生产厂和科研单位的试验数据加以分析整理后得出的，当无材料试验数据时可以采用。
4 设计基本规定
4.1 设 计 原 则
4.1.1 根据国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068）的规定，并为使本规范与其他设计规范配套使用。本规范由原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）采用基本安全系数的半概率半经验极限状态设计法修改为采用荷载分项系数、组合值系数、材料分项系数和结构重要性系数的近似概率极限状态设计法。
4.1.2、4.1.3 烟囱设计根据国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068）的规定划分为两类极限状态--承载能力极限状态和正常使用极限状态。烟囱的承载能力极限状态设计包括截面抗震验算。单筒式钢筋混凝土烟囱的正常使用极限状态不要求控制变形，但增加了钢筋与混凝土的应力控制及裂缝宽度控制。
4.1.4 原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）按烟囱不同高度划分为三个等级，并相应乘以调整系数1.0、1.1 和1.2。这与国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068）按照结构破坏可能产生的严重性而划分三个等级的思路是一致的。但划分的层次上则不一样。考虑到烟囱属高耸结构，破坏后果均较严重，不存在次要结构的情况。为了使本规范与国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068）取得协调，把原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）的三个等级改划为二个等级，取消了次要结构这一个等级。
4.1.8 根据烟囱的工作特性，本条列出了烟囱可能发生的各种荷载效应和作用效应的基本组合情况。其中组合情况Ⅰ是普遍发生的；组合情况Ⅱ多发生于套筒式或多管式烟囱；组合情况Ⅲ多发生于塔架式或拉索式烟囱。
组合情况Ⅱ、Ⅲ的发生在时间上有明显的间断性。它们的时间特性是每次发生的持续时间相对于不发生的时间要短得多。根据随机过程概率理论，在发生安装检修荷载、裹冰荷载的短时间内，与之组合的风荷载代表值，显然不应等同于按50 年一遇统计所得的值。经过计算与归纳，本条对各种组合情况中风荷载代表值的取值作了调整，对风荷载采用不同组合值系数。
附加弯矩属可变荷载，组合中应予折减。但由于缺乏统计数据且考虑到自重为其量值产生的主要因素，故按不变荷载，即取组合系数为1.0。
4.1.9 本条所列截面抗震验算的表达式及所采用的系数，除增加了附加弯矩效应外，与国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011） 一致。在烟囱截面抗震验算中，钢筋混凝土烟囱必须考虑附加弯矩效应。
4.1.10 烟囱地基变形计算，主要包括基础最终沉降量计算及基础倾斜计算。在长期荷载作用下，地基所产生的变形主要是由于土中孔隙水的消散、孔隙水的减少而发生的。风荷载是瞬时作用的活荷载，在其作用下土中孔隙水一般来不及消散，土体积的变化也迟缓于风荷载，故风荷载产生的地基变形可按瞬时变形考虑。影响烟囱基础沉降和倾斜的主要因素，是作用于筒身的长期荷载、邻近建筑的相互影响以及地基本身的不均匀性，而瞬时作用的影响是很小的，故一般情况下，计算烟囱基础的地基变形时，可不考虑风荷载。但对于烟囱来讲，风荷载是主要活荷载，特殊情况下，即对于风玫瑰图严重偏心的地区，为确保结构的稳定性，应考虑风荷载。
4.2 一 般 规 定
4.2.1 烟囱筒壁的材料选择，在一般情况下主要依据烟囱的高度和地震烈度。从目前国内情况看。烟囱高度大于80m时，一般采用钢筋混凝土筒壁。烟囱高度小于或等于60m时，多数采用砖烟囱。烟囱高度介于60m 至80m 之间时，除要考虑烟囱高度和地震烈度外，还宜根据烟囱直径、烟气温度、材料供应及施工条件等情况进行综合比较后确定。砖烟囱的抗震性能较差。即使是配置竖向钢筋的砖烟囱，遇到较高烈度的地震仍难免发生一定程度的破坏。而且高烈度区砖烟囱的竖向配筋量很大，导致施工质量难以保证，而造价与钢筋混凝土烟囱相差不大。
4.2.2 烟囱内衬设置的主要作用是降低筒壁温度，保证筒壁的受热温度在限值之内，减少材料力学性能的降低和降低筒壁温度应力以减少裂缝开展。设置内衬还可减少烟气对筒壁的腐蚀和磨损，考虑上述因素，本条对内衬的设置区域、温度界限分别作了规定。
4.2.4 筒壁计算截面的选取，是以具有代表性、计算方便又偏于安全为原则而确定的。因烟囱的坡度、筒身各层厚度及截面配筋的变化都在分节处，同时筒身的自重、风荷载及温度也按分节进行计算。这样，在每节底部的水平截面总是该节的最不利截面。因而本规范规定在计算水平截面时，取筒壁各节的底截面。垂直截面本可以选择任意单位高度为计算截面。因为各节底部截面的一些数据是现成的（如筒壁内外半径、内衬及隔热层厚度）。所以计算垂直截面时，也规定取筒壁各节底部单位高度为计算截面。
4.3 烟自受热温度允许值
4 .3.1 烟囱筒壁和基础的最高受热温度允许值仍与原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）的规定相同。即砖筒壁最高受热温度为400℃，钢筋混凝土筒壁和基础为150℃。补充规定了钢烟囱的最高受热温度允许值。
对于烧结普通粘土砖砌体的筒壁，限制最高使用温度，是依据在温度作用下材料性能的变化、温度应力的大小、筒壁使用效果等因素综合考虑的。砖砌体在400℃温度作用下，强度有所降低（主要是砂浆强度降低）。由于筒壁的高温区仅在筒壁内侧，筒壁内的温度是由内向外递减的，平均温度要小于400℃。从砖砌体材料性能上规定最高受热温度为400℃是可以的。
钢筋混凝土及混凝土的受热温度允许值规定为150℃，低于《冶金工业厂房钢筋混凝土结构抗热设计规程》（CYS 12-79）规定的200℃。这是因为从烟囱的大量调查中发现，由于温度的作用，筒壁裂缝比较普遍，有些还相当严重。这是由于温度应力、混凝土的收缩及徐变、施工质量等综合因素造成的。另一方面，烟气的温度不仅长期作用，且由于在使用过程中受热温度还可能出现超温现象。超温现象除了因为烟气温度升高（事故或燃料改变）外，还与内衬及隔热层性能达不到设计要求有关。这些都将导致筒壁温度升高，综合以上因素，限制钢筋混凝土筒壁的设计最高受热温度为150℃是合适的。
钢筋混凝土基础的设计最高受热温度，原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）未给出温度计算公式。实际调查中发现，高温烟气穿过基础时，基础有的出现严重酥碎，有的已全部烧坏。这是因为热量在土中不易散发，蓄积的热量使基础受热温度愈来愈高，导致混凝土解体。在本规范编制过程中，进行了大试件模拟试验。在试验的基础上，给出了温度计算公式，在试设计过程中发现，用上述公式计算，对烟气温度大于350℃的基础，很难单用隔热的措施使基础受热温度降至150℃以下。如果采取通风散热或改用耐热混凝土为基础材料等措施，尚缺乏工程实践经验，因此高温烟囱宜尽量避免采用地下烟道。
钢烟囱筒壁受热温度的适用范围摘自国家标准《钢制压力容器》（GB 150）。
4.4 钢筋混凝土烟囱简壁的规定限值
4.4.1 本条给出了在正常使用极限状态计算时控制混凝土及钢筋的应力限值以防止混凝土和钢筋应力过大。在实际工程中发现，烟囱筒壁的实际裂缝宽度一般均大于计算值，有的相差一倍或几倍。裂缝间距也远大于计算值。为此，规范组进行了大试件模拟试验研究，对裂缝宽度计算公式进行了修正。但缺少实际使用经验。对混凝土及钢筋应力实施较严格控制，则是从另一个角度限制裂缝宽度的措施。
4.4.2 裂缝宽度限值原则上保留了原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）的规定，为与国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010）统一，本条也区分了使用环境类别。并对裂缝宽度限值作了调整。由于裂缝宽度计算公式已作了修正，所以实质上对裂缝宽度的控制较原《烟囱设计规范》（GBJ 51-83）严格。