化工機(jī)械基礎(chǔ)第三版第十二章-塔設(shè)備強(qiáng)度設(shè)計計算

1、第十二章塔設(shè)備強(qiáng)度設(shè)計計算,主要內(nèi)容：,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(qiáng)度校核步驟。 能夠確定塔體和裙座體危險截面，并掌握塔體壁厚的校核方法。,一、塔體強(qiáng)度計算,室外H/D較大的塔， 操作壓力、質(zhì)量載荷、 風(fēng)載荷、地震載荷、 偏心載荷等。, 按設(shè)計壓力計算筒體及封頭壁厚 按第十章容器設(shè)計基礎(chǔ)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。, 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： 操作壓力； 質(zhì)量載荷； 風(fēng)載荷； 地震載荷； 偏心載荷。, 操作壓力 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。 操作壓力對裙座不起作用。, 質(zhì)量載荷 塔

2、設(shè)備質(zhì)量包括： m1:塔體和裙座質(zhì)量； m2:內(nèi)件；m3:保溫材料； m4:平臺、扶梯質(zhì)量； m5:操作時塔內(nèi)物料質(zhì)量； ma:人孔、接管、法蘭等附件質(zhì)量； me:偏心；mw: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。,m1:塔體和裙座質(zhì)量； m2:內(nèi)件質(zhì)量； m3:保溫材料質(zhì)量； m4:平臺、扶梯質(zhì)量； m5:操作時塔內(nèi)物料； ma:人孔、接管等附件； me:偏心質(zhì)量； mw:液壓試驗塔內(nèi)充液,設(shè)備操作時質(zhì)量：,M0=m1+m2+m3 +m4+m5+ma+me,設(shè)備最大質(zhì)量（水壓試驗時）：,Mmax=m1+m2+m3 +m4+mw+ma+me,設(shè)備最小質(zhì)量：,m

3、min =m1+0.2m2 +m3+m4 +ma+me,0.2m2:部分內(nèi)件焊在塔體 空塔吊裝，如未裝保溫層、平臺、扶梯等，則mmin應(yīng)扣除m3和m4。,3. 風(fēng)載荷,室外自支承塔為懸臂梁。 產(chǎn)生風(fēng)彎矩， 迎風(fēng)面拉應(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H/D較大、風(fēng)速較大時較明顯，一般可忽略?？紤]兩彎矩矢量疊加。,（1）水平風(fēng)力的計算,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)。 各地離地面10m處30年一遇 10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q0，見表12-2。,風(fēng)速隨地面高度而變化。塔高于10m，應(yīng)分段計算風(fēng)載荷

4、，視離地面高度的不同乘以高度變化系數(shù)fi，見表12-3。,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：,Pi-水平風(fēng)力； q0-基本風(fēng)壓值，見表4-26，但均不應(yīng)小于250N/2； fi-風(fēng)壓高度變化系數(shù)，表12-3 Li-第計算段長度； Dei-塔各計算段有效直徑； K1-體型系數(shù)，圓柱直立設(shè)備0.7 K2i-各計算段風(fēng)振系數(shù)，,z-脈動增大系數(shù)，按表12-4查取； Vi-第i段脈動影響系數(shù)，按表12-5查 fzi- 第i段振型系數(shù)，根據(jù)Hi/H與m查表12-6；,K2i-塔設(shè)備各計算段的風(fēng)振系數(shù)， 當(dāng)塔高H20m時，取K2i=1.7； 當(dāng)H20m時，,（2）風(fēng)

5、彎矩,任意截面的風(fēng)彎矩：,一般習(xí)慣自地面起每隔10m一段，風(fēng)壓定值。求出風(fēng)載荷Pi,等直徑、等壁厚塔體和裙座，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座體，各個可疑的截面各自進(jìn)行應(yīng)力校核。 圖中0-0、1-1、2-2各截面都是薄弱部位，可選為計算截面。,4. 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： 水平方向振動 垂直方向振動 扭轉(zhuǎn) 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)備看成是懸臂梁。,（1）水平地震力,實際全塔質(zhì)量按全塔或分段均布。 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，每一段質(zhì)量視為集中于該段1

6、/2處。,FK1-mK引起的基本振型水平地震力 Cz-綜合影響系數(shù)，直立圓筒Cz=0.5；,mK-距離地面hK處的集中質(zhì)量；,hK1-基本振型參與系數(shù)，,a1-對應(yīng)與塔基本自振周期T1的地震影響系數(shù)a值。,有多種振型，任意高度hK處集中質(zhì)量mK引起基本振型的水平地震力,（2）垂直地震力,防烈度8度或9度的塔應(yīng)考慮垂直地震力 塔底截面處垂直地震力：,avmax-垂直地震影響系數(shù)最大值， avmax= 0.65amax meq-塔設(shè)備的當(dāng)量質(zhì)量， meq=0.75m0 任意質(zhì)量i處垂直地震力：,（3）地震彎矩,任意截面i-i基本振型地震彎矩：,等直徑、等厚度塔的任意截面i-i和底截面0-0的基本振

7、型地震彎矩：,H/D15，或高度大于等于20m時，考慮高振型,5. 偏心載荷,塔外附屬設(shè) 塔頂冷凝器偏心安裝 塔底外側(cè)懸掛再沸器 偏心載荷引起軸向壓應(yīng)力和軸向彎矩Me, 圓筒的應(yīng)力,1塔設(shè)備由內(nèi)壓或外壓引起的軸向應(yīng)力,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）,3最大彎矩在筒體內(nèi)引起的軸向應(yīng)力,風(fēng)彎矩MW、地震彎矩ME、偏心彎矩Me。 最大平均風(fēng)速和可能出現(xiàn)的最大地震烈度，同時達(dá)到最大值的幾率極小。 通常操作下最大彎矩按下式取值：,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：, 筒體壁厚效核,最大軸向組合應(yīng)力的計算,（1） 內(nèi)壓操作

8、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：, 最大組合軸向壓應(yīng)力，出現(xiàn)在停修時的背風(fēng)側(cè)，即：,（2） 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：, 最大組合軸向拉應(yīng)力，出現(xiàn)在停修時的迎風(fēng)側(cè)，即：,2. 強(qiáng)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，求出最大組合軸向應(yīng)力，必須滿足強(qiáng)度條件與穩(wěn)定性條件，表12-10。 周向拉應(yīng)力只進(jìn)行強(qiáng)度校核，因為不存在穩(wěn)定性問題。 軸向壓應(yīng)力既要滿足強(qiáng)度要求，又必須滿足穩(wěn)定性要求，進(jìn)行雙重校核。,表12-10 軸向最大應(yīng)力的校核條件,3. 水壓試驗時應(yīng)力校核,(1) 關(guān)于拉應(yīng)力, 環(huán)向拉應(yīng)力的驗算在第十

9、章 最大組合軸向拉應(yīng)力,(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)力,K為載荷組合系數(shù)，取K=1.2。塔體，最大風(fēng)彎矩引起的彎曲應(yīng)力s3i-i發(fā)生在截面2-2上。 裙座，s3i-i的最大應(yīng)力發(fā)生在裙座底截面0-0或人孔截面1-1上。,二、 裙座,按所支承設(shè)備的高度與直徑比，裙座分成兩種： 一種是圓筒形； 一種是圓錐形。,圓筒形裙座：制造方便和節(jié)省材料，被廣泛采用。 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)載荷和地震載荷。,群座體（Q235-A或16Mn） 基礎(chǔ)環(huán)板 螺栓座 基礎(chǔ)螺栓,(一)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s 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、圓整。,(二)基礎(chǔ)環(huán)板設(shè)計,1、基礎(chǔ)環(huán)板內(nèi)、外徑,2、基礎(chǔ)環(huán)板厚度, 背風(fēng)側(cè)外緣壓應(yīng)力大，組合軸向壓應(yīng)力,（1）基礎(chǔ)環(huán)板上無筋板,基礎(chǔ)環(huán)板厚度不小于16mm,基礎(chǔ)環(huán)板厚度不小于16mm,（2）基礎(chǔ)環(huán)板上有筋板,Ms計算力矩，按表4-35計算Mx和My，取絕對值較大,（三）地腳螺栓,迎風(fēng)側(cè)可能出現(xiàn)零值甚至是拉應(yīng)力 基礎(chǔ)面上由螺栓承受的最大拉應(yīng)力為,B0塔自身穩(wěn)定，固定位置加螺栓 B0，必須設(shè)地腳螺栓，螺紋小徑,地腳螺栓個數(shù)取4的倍數(shù)，小直徑塔取6個，圓整后地腳螺栓的公稱直徑不得小于M24,