第十二章塔設(shè)備強度設(shè)計計算

1、第十二章塔設(shè)備強度設(shè)計計算主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 了解塔所承受載荷的特點。了解塔所承受載荷的特點。 熟悉塔體和裙座承受的各項載荷計算及強度校核步驟。熟悉塔體和裙座承受的各項載荷計算及強度校核步驟。 能夠確定塔體和裙座體危險截面，并掌握塔體壁厚的能夠確定塔體和裙座體危險截面，并掌握塔體壁厚的校核方法。校核方法。一、塔體強度計算一、塔體強度計算室外室外H H/ /D D較大的塔，較大的塔，操作壓力、質(zhì)量載荷、操作壓力、質(zhì)量載荷、風(fēng)載荷、地震載荷、風(fēng)載荷、地震載荷、偏心載荷等。偏心載荷等。 按設(shè)計壓力計算筒體及封頭壁厚按設(shè)計壓力計算筒體及封頭壁厚按第十章按第十章 容器設(shè)計基礎(chǔ)容器設(shè)計基礎(chǔ) 中內(nèi)壓、外壓

2、容器的設(shè)計方法，中內(nèi)壓、外壓容器的設(shè)計方法，計算塔體和封頭的有效厚度。計算塔體和封頭的有效厚度。 塔設(shè)備所承受的各種載荷計算塔設(shè)備所承受的各種載荷計算以下要討論的載荷主要有：以下要討論的載荷主要有： 操作壓力；操作壓力； 質(zhì)量載荷；質(zhì)量載荷； 風(fēng)載荷；風(fēng)載荷； 地震載荷；地震載荷； 偏心載荷。偏心載荷。 操作壓力操作壓力內(nèi)壓塔，周向及軸向拉應(yīng)力；內(nèi)壓塔，周向及軸向拉應(yīng)力；外壓塔，周向及軸向壓應(yīng)力。外壓塔，周向及軸向壓應(yīng)力。操作壓力對裙座不起作用。操作壓力對裙座不起作用。 質(zhì)量載荷質(zhì)量載荷塔設(shè)備質(zhì)量包括：塔設(shè)備質(zhì)量包括：mm1 1: :塔體和裙座質(zhì)量；塔體和裙座質(zhì)量；mm2 2: :內(nèi)件；內(nèi)件；

3、mm3 3: :保溫材料；保溫材料；mm4 4: :平臺、扶梯質(zhì)量；平臺、扶梯質(zhì)量；mm5 5: :操作時塔內(nèi)物料質(zhì)量；操作時塔內(nèi)物料質(zhì)量；mma a: :人孔、接管、法蘭等附件質(zhì)量；人孔、接管、法蘭等附件質(zhì)量；mme e: :偏心；偏心；mmww: :液壓試驗時，塔內(nèi)充液質(zhì)量；液壓試驗時，塔內(nèi)充液質(zhì)量；操作停修或水壓試驗等不同工況物料或充水質(zhì)量。操作停修或水壓試驗等不同工況物料或充水質(zhì)量。mm1 1: :塔體和裙座質(zhì)量；塔體和裙座質(zhì)量；mm2 2: :內(nèi)件質(zhì)量；內(nèi)件質(zhì)量；mm3 3: :保溫材料質(zhì)量；保溫材料質(zhì)量；mm4 4: :平臺、扶梯質(zhì)量；平臺、扶梯質(zhì)量；mm5 5: :操作時塔內(nèi)物料

4、；操作時塔內(nèi)物料；mma a: :人孔、接管等附件；人孔、接管等附件；mme e: :偏心質(zhì)量；偏心質(zhì)量；mmww: :液壓試驗塔內(nèi)充液液壓試驗塔內(nèi)充液設(shè)備操作時質(zhì)量：設(shè)備操作時質(zhì)量：MM0 0=mm1 1+ +mm2 2+ +mm3 3 + +mm4 4+ +mm5 5+ +mma a+ +mme e 設(shè)備最大質(zhì)量（水壓試驗時）：設(shè)備最大質(zhì)量（水壓試驗時）：MMmaxmax=mm1 1+ +mm2 2+ +mm3 3 + +mm4 4+ +mmww+ +mma a+ +mme e設(shè)備最小質(zhì)量：設(shè)備最小質(zhì)量：mmminmin = =mm1 1+0.2+0.2mm2 2 + +mm3 3+ +m

5、m4 4 + +mma a+m+me e 0.20.2mm2 2: :部分內(nèi)件焊在塔體部分內(nèi)件焊在塔體空塔吊裝，如未裝保溫層、平臺、扶梯等，空塔吊裝，如未裝保溫層、平臺、扶梯等，則則mmminmin應(yīng)扣除應(yīng)扣除mm3 3和和mm4 4。3. 3. 風(fēng)載荷風(fēng)載荷室外自支承塔為懸臂梁。室外自支承塔為懸臂梁。產(chǎn)生風(fēng)彎矩，產(chǎn)生風(fēng)彎矩，迎風(fēng)面拉應(yīng)力，迎風(fēng)面拉應(yīng)力，背風(fēng)面壓應(yīng)力。背風(fēng)面壓應(yīng)力。塔背后氣流引起周期性旋渦，垂直于風(fēng)向的誘發(fā)振動彎矩。只在塔塔背后氣流引起周期性旋渦，垂直于風(fēng)向的誘發(fā)振動彎矩。只在塔H H/ /D D較大、風(fēng)速較大時較明顯，一般可忽略。考慮兩彎矩矢量疊加。較大、風(fēng)速較大時較明顯，一

6、般可忽略?？紤]兩彎矩矢量疊加。（1 1）水平風(fēng)力的計算）水平風(fēng)力的計算迎風(fēng)面產(chǎn)生風(fēng)壓。與風(fēng)速、迎風(fēng)面產(chǎn)生風(fēng)壓。與風(fēng)速、空氣密度、地區(qū)和季節(jié)有關(guān)?？諝饷芏?、地區(qū)和季節(jié)有關(guān)。各地離地面各地離地面10m10m處處3030年一遇年一遇1010分鐘內(nèi)平均風(fēng)速最大值作為計算分鐘內(nèi)平均風(fēng)速最大值作為計算風(fēng)壓，得到該地區(qū)的基本風(fēng)壓風(fēng)壓，得到該地區(qū)的基本風(fēng)壓q q0 0，見表，見表12-212-2。風(fēng)速隨地面高度而變化。塔高于風(fēng)速隨地面高度而變化。塔高于10m10m，應(yīng)分段計算風(fēng)載荷，視離，應(yīng)分段計算風(fēng)載荷，視離地面高度的不同乘以高度變化系數(shù)地面高度的不同乘以高度變化系數(shù)f fi i，見表，見表12-312-3

7、。風(fēng)壓還與塔高度、直徑、形狀以及自振周期有關(guān)。兩相鄰計算截面間的水風(fēng)壓還與塔高度、直徑、形狀以及自振周期有關(guān)。兩相鄰計算截面間的水平風(fēng)力為：平風(fēng)力為： P Pi i- -水平風(fēng)力；水平風(fēng)力；q q0 0- -基本風(fēng)壓值，見表基本風(fēng)壓值，見表4-264-26，但均不應(yīng)小于，但均不應(yīng)小于250N/250N/2 2；f fi i- -風(fēng)壓高度變化系數(shù)，表風(fēng)壓高度變化系數(shù)，表12-3 12-3 L Li i- -第計算段長度；第計算段長度； D Dei ei- -塔各計算段有效直徑；塔各計算段有效直徑； K K1 1- -體型系數(shù)，圓柱直立設(shè)備體型系數(shù)，圓柱直立設(shè)備0.70.7K K2i2i- -各計

8、算段風(fēng)振系數(shù)，各計算段風(fēng)振系數(shù)，602110eiiiiiDLfqKKPz- z-脈動增大系數(shù)，按表脈動增大系數(shù)，按表12-412-4查??；查??；V Vi i- -第第i i段脈動影響系數(shù)，按表段脈動影響系數(shù)，按表12-512-5查查 f fzi zi- - 第第i i段振型系數(shù)，根據(jù)段振型系數(shù)，根據(jù)H Hi i/ /H H與與mm查表查表12-612-6；K K2i2i- -塔設(shè)備各計算段的風(fēng)振系數(shù)，塔設(shè)備各計算段的風(fēng)振系數(shù)，當(dāng)塔高當(dāng)塔高H H20m20m時，取時，取K K2i2i=1.7=1.7；當(dāng)當(dāng)H H20m20m時，時，iziiifvK 12（2 2）風(fēng)彎矩）風(fēng)彎矩任意截面的風(fēng)彎矩：任

9、意截面的風(fēng)彎矩：602110eiiiiiDLfqKKP一般習(xí)慣自地面起每隔一般習(xí)慣自地面起每隔10m10m一段，風(fēng)一段，風(fēng)壓定值。求出風(fēng)載荷壓定值。求出風(fēng)載荷P Pi i22221211iiiiiiiiiiiwLLLPLLPLPM等直徑、等壁厚塔體和裙座，等直徑、等壁厚塔體和裙座，風(fēng)彎矩最大值為最危險截面。風(fēng)彎矩最大值為最危險截面。變截面塔體及開有人孔的裙變截面塔體及開有人孔的裙座體，各個可疑的截面各自座體，各個可疑的截面各自進(jìn)行應(yīng)力校核。進(jìn)行應(yīng)力校核。圖中圖中0-00-0、1-11-1、2-22-2各截面都各截面都是薄弱部位，可選為計算截是薄弱部位，可選為計算截面。面。4. 4. 地震載荷地

10、震載荷地震烈度七度及以上地區(qū)，設(shè)計時必須考慮地震載荷。地震烈度七度及以上地區(qū)，設(shè)計時必須考慮地震載荷。地震波作用下：地震波作用下： 水平方向振動水平方向振動 垂直方向振動垂直方向振動 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 其中以水平方向振動危害較大。其中以水平方向振動危害較大。 計算地震力時，僅考慮水平地震力，并把塔設(shè)備看成是懸計算地震力時，僅考慮水平地震力，并把塔設(shè)備看成是懸臂梁。臂梁。（1 1）水平地震力）水平地震力實際全塔質(zhì)量按全塔或分段均實際全塔質(zhì)量按全塔或分段均布。布。計算地震載荷與計算風(fēng)載荷一計算地震載荷與計算風(fēng)載荷一樣，將全塔沿高度分成若干段，樣，將全塔沿高度分成若干段，每一段質(zhì)量視為集中于該段每一段質(zhì)量視

11、為集中于該段1/21/2處。處。F FK1K1- -mmK K引起的基本振型水平地震力引起的基本振型水平地震力C Cz z- -綜合影響系數(shù)，直立圓筒綜合影響系數(shù)，直立圓筒C Cz z=0.5=0.5；mmK K- -距離地面距離地面h hK K處的集中質(zhì)量；處的集中質(zhì)量； h hK1K1- -基本振型參與系數(shù)，基本振型參與系數(shù)， a a1 1- -對應(yīng)與塔基本自振周期對應(yīng)與塔基本自振周期T T1 1的地震影響系數(shù)的地震影響系數(shù)a a值。值。有多種振型，任意高度有多種振型，任意高度h hK K處集中質(zhì)量處集中質(zhì)量mmK K引起基本振型的引起基本振型的水平地震力水平地震力gmCFKKzK111n

12、iiiniiiKKhmhmh1315 . 15 . 11（2 2）垂直地震力）垂直地震力防烈度防烈度8 8度或度或9 9度的塔應(yīng)考慮垂直地震力度的塔應(yīng)考慮垂直地震力塔底截面處垂直地震力：塔底截面處垂直地震力：a avmaxvmax- -垂直地震影響系數(shù)最大值，垂直地震影響系數(shù)最大值， a avmaxvmax= 0.65= 0.65a amaxmaxmmeqeq- -塔設(shè)備的當(dāng)量質(zhì)量，塔設(shè)備的當(dāng)量質(zhì)量， mmeqeq=0.75=0.75mm0 0 任意質(zhì)量任意質(zhì)量i i處垂直地震力：處垂直地震力：gmFeqmax00niFhmhmFnkkkiiii, 2 , 1001（3 3）地震彎矩）地震彎矩

13、任意截面任意截面i i- -i i基本振型地震彎矩：基本振型地震彎矩：等直徑、等厚度塔的任意截面等直徑、等厚度塔的任意截面i i- -i i和底截面和底截面0-00-0的基本振型地震彎矩：的基本振型地震彎矩：H H/ /D D1515，或高度大于等于，或高度大于等于20m20m時，考慮時，考慮高振型高振型niKKiiEihhFM11gHmCMzEi010035165 . 35 . 25 . 35 . 201414101758hhHHHgmCMziiEiiiEiiiEMM25.15. 5. 偏心載荷偏心載荷塔外附屬設(shè)塔外附屬設(shè)塔頂冷凝器偏心安裝塔頂冷凝器偏心安裝塔底外側(cè)懸掛再沸器塔底外側(cè)懸掛再沸

14、器偏心載荷引起軸向壓應(yīng)力和軸偏心載荷引起軸向壓應(yīng)力和軸向彎矩向彎矩MMe egemMee 圓筒的應(yīng)力圓筒的應(yīng)力 1 1塔設(shè)備由內(nèi)壓或外壓引起的軸向應(yīng)力塔設(shè)備由內(nèi)壓或外壓引起的軸向應(yīng)力2 2操作或非操作時，重量及垂直地震力引起的軸向應(yīng)力（壓應(yīng)力）操作或非操作時，重量及垂直地震力引起的軸向應(yīng)力（壓應(yīng)力）eiicDp41eiiiiviiDFgm023 3最大彎矩在筒體內(nèi)引起的軸向應(yīng)力最大彎矩在筒體內(nèi)引起的軸向應(yīng)力風(fēng)彎矩風(fēng)彎矩MMWW、地震彎矩、地震彎矩MME E、偏心彎矩、偏心彎矩MMe e。最大平均風(fēng)速和可能出現(xiàn)的最大地震烈度，同時達(dá)到最大值最大平均風(fēng)速和可能出現(xiàn)的最大地震烈度，同時達(dá)到最大值的幾

15、率極小。的幾率極小。通常操作下最大彎矩按下式取值：通常操作下最大彎矩按下式取值：)(25. 0max取大值eiiWiiEeiiWiiMMMMMM最大彎矩在筒體中引起軸向應(yīng)力：最大彎矩在筒體中引起軸向應(yīng)力：水壓試驗時間人為選定且時間較短，在實驗情況下最大彎矩取值：水壓試驗時間人為選定且時間較短，在實驗情況下最大彎矩取值：eiiWiiMMM3 .0maxeiiiiDM2max34 筒體壁厚效核筒體壁厚效核最大軸向組合應(yīng)力的計算最大軸向組合應(yīng)力的計算內(nèi)壓塔設(shè)備內(nèi)壓塔設(shè)備外壓塔設(shè)備外壓塔設(shè)備正常操作正常操作停修停修正常操作正常操作停修停修迎風(fēng)迎風(fēng) 背風(fēng)背風(fēng) 迎風(fēng)迎風(fēng) 背風(fēng)背風(fēng)迎風(fēng)迎風(fēng)背風(fēng)背風(fēng)迎風(fēng)迎風(fēng)背

16、背風(fēng)風(fēng) 應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)狀態(tài)s1+ +0 0- -0 0s2- - - - -s s3 3+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -s smaxmaxs s1 1-s -s2 2+s+s3 3- -（s s2 2+s+s3 3）- -（s s1 1+s+s2 2+s+s3 3）-s -s2 2+s+s3 3（1 1） 內(nèi)壓操作的塔設(shè)備內(nèi)壓操作的塔設(shè)備 最大組合軸向拉應(yīng)力，出現(xiàn)在正常操作時的迎風(fēng)側(cè)，即：最大組合軸向拉應(yīng)力，出現(xiàn)在正常操作時的迎風(fēng)側(cè)，即： 最大組合軸向壓應(yīng)力，出現(xiàn)在停修時的背風(fēng)側(cè)，即：最大組合軸向壓應(yīng)力，出現(xiàn)在停修時的背風(fēng)側(cè)，即：iiii321max)(32maxiiii（2 2

17、） 外壓操作的塔設(shè)備外壓操作的塔設(shè)備 最大組合軸向壓應(yīng)力，出現(xiàn)在正常操作時的背風(fēng)側(cè)，即：最大組合軸向壓應(yīng)力，出現(xiàn)在正常操作時的背風(fēng)側(cè)，即： 最大組合軸向拉應(yīng)力，出現(xiàn)在停修時的迎風(fēng)側(cè)，即：最大組合軸向拉應(yīng)力，出現(xiàn)在停修時的迎風(fēng)側(cè)，即：)(321maxiiiiiiii32max2. 2. 強度與穩(wěn)定性校核強度與穩(wěn)定性校核 根據(jù)正常操作或停車檢修時的各種危險情況，求出最大組根據(jù)正常操作或停車檢修時的各種危險情況，求出最大組合軸向應(yīng)力，必須滿足強度條件與穩(wěn)定性條件，表合軸向應(yīng)力，必須滿足強度條件與穩(wěn)定性條件，表12-1012-10。周向拉應(yīng)力只進(jìn)行強度校核，因為不存在穩(wěn)定性問題。周向拉應(yīng)力只進(jìn)行強度校

18、核，因為不存在穩(wěn)定性問題。軸向壓應(yīng)力既要滿足強度要求，又必須滿足穩(wěn)定性要求，軸向壓應(yīng)力既要滿足強度要求，又必須滿足穩(wěn)定性要求，進(jìn)行雙重校核。進(jìn)行雙重校核。名名 稱稱 強度校核強度校核穩(wěn)定性校核穩(wěn)定性校核周向最大拉應(yīng)力周向最大拉應(yīng)力s smaxmaxK Ksst tf f 軸向最大壓應(yīng)力軸向最大壓應(yīng)力s smaxmaxK Ksst tK K0.06E0.06Et t ei ei/R/Ri i K K為載荷組合系數(shù)，取為載荷組合系數(shù)，取K K=1.2=1.2。表表12-10 12-10 軸向最大應(yīng)力的校核條件軸向最大應(yīng)力的校核條件3. 3. 水壓試驗時應(yīng)力校核水壓試驗時應(yīng)力校核(1) (1) 關(guān)于

19、拉應(yīng)力關(guān)于拉應(yīng)力 環(huán)向拉應(yīng)力的驗算在第十章環(huán)向拉應(yīng)力的驗算在第十章 最大組合軸向拉應(yīng)力最大組合軸向拉應(yīng)力seiieiiweiiiieiiiKDMMDgmDp9 . 0785. 03 . 042maxmax(2) (2) 設(shè)備充水（未加壓）后最大質(zhì)量和最大彎矩在殼體中引起的組合軸向壓應(yīng)設(shè)備充水（未加壓）后最大質(zhì)量和最大彎矩在殼體中引起的組合軸向壓應(yīng)力力 K K為載荷組合系數(shù)，取為載荷組合系數(shù)，取K K=1.2=1.2。塔體，最大風(fēng)彎矩引起的彎曲應(yīng)力塔體，最大風(fēng)彎矩引起的彎曲應(yīng)力s s3 3i i- -i i發(fā)生在截面發(fā)生在截面2-22-2上。上。裙座，裙座，s s3 3i i- -i i的最大應(yīng)

20、力發(fā)生在裙座底截面的最大應(yīng)力發(fā)生在裙座底截面0-00-0或人孔截面或人孔截面1-11-1上。上。)(06. 09 . 0785. 03 . 012maxmax取小值RKEKDMMDgmeiseiieiiweiiii二、二、 裙座裙座按所支承設(shè)備的高度與按所支承設(shè)備的高度與直徑比，裙座分成兩種：直徑比，裙座分成兩種：一種是圓筒形；一種是圓筒形；一種是圓錐形。一種是圓錐形。圓筒形裙座：制造方便和節(jié)省圓筒形裙座：制造方便和節(jié)省材料，被廣泛采用。材料，被廣泛采用。圓錐形裙座：地角螺栓較多和基圓錐形裙座：地角螺栓較多和基礎(chǔ)環(huán)承受面積較大，承受較大風(fēng)礎(chǔ)環(huán)承受面積較大，承受較大風(fēng)載荷和地震載荷。載荷和地震載荷。群座體（群座體（Q235-AQ235-A或或16Mn16Mn）基礎(chǔ)環(huán)板基礎(chǔ)環(huán)板螺栓座螺栓座基礎(chǔ)螺栓基礎(chǔ)螺栓( (一一) )圓筒形群座體壁厚的驗算圓筒形群座體壁厚的驗算先參照筒體厚度試取一群座體壁厚先參照筒體厚度試取一群座體壁厚s s驗算危險截面的應(yīng)力，群座體底截面和人孔截面驗算危險截面的應(yīng)力，群座體底截面和人孔截面組合應(yīng)力滿足條件后，壁厚附加、圓