第十七章塔設(shè)備強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

1、第十七章塔設(shè)備強(qiáng)度第十七章塔設(shè)備強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：了解塔所承受載荷的特點(diǎn)。了解塔所承受載荷的特點(diǎn)。熟悉塔體和裙座承受的各項(xiàng)熟悉塔體和裙座承受的各項(xiàng)載荷計(jì)算及強(qiáng)度校核步驟。載荷計(jì)算及強(qiáng)度校核步驟。能夠確定塔體和裙座體危險(xiǎn)能夠確定塔體和裙座體危險(xiǎn)截面，并掌握塔體壁厚的校截面，并掌握塔體壁厚的校核方法。核方法。一、塔體一、塔體強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算室外室外H H/ /D D較較大的塔，大的塔，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等偏心載荷等 按設(shè)計(jì)壓力計(jì)算筒體及封按設(shè)計(jì)壓力計(jì)算筒體及封頭壁厚頭壁厚 按第十五章按第十五章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)容器設(shè)計(jì)

2、基礎(chǔ) 中內(nèi)壓、外壓容器的設(shè)計(jì)方法，中內(nèi)壓、外壓容器的設(shè)計(jì)方法，計(jì)算塔體和封頭的有效厚度。計(jì)算塔體和封頭的有效厚度。 塔設(shè)備所承受的各種載荷塔設(shè)備所承受的各種載荷計(jì)算計(jì)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(duì)裙座不起作用。操作壓力對(duì)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:

3、:內(nèi)件；內(nèi)件；mm3 3: :保溫材料；保溫材料；mm4 4: :平臺(tái)、扶梯質(zhì)量平臺(tái)、扶梯質(zhì)量；mm5 5: :操作時(shí)塔內(nèi)物料質(zhì)量操作時(shí)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(yàn)時(shí)，塔內(nèi)充液質(zhì)量液壓試驗(yàn)時(shí)，塔內(nèi)充液質(zhì)量；操作停修或水壓試驗(yàn)等不同工況物料或充操作停修或水壓試驗(yàn)等不同工況物料或充水質(zhì)量。水質(zhì)量。m m1 1: :塔體和裙座質(zhì)量塔體和裙座質(zhì)量；m m2 2: :內(nèi)件質(zhì)量?jī)?nèi)件質(zhì)量；m m3 3: :保溫材料質(zhì)量保溫材料質(zhì)量；m m4 4: :平臺(tái)、扶梯質(zhì)量平臺(tái)、扶梯質(zhì)量；m m5 5: :操作時(shí)

4、塔內(nèi)物料；操作時(shí)塔內(nèi)物料；m ma a: :人孔、接管等附件；人孔、接管等附件；m me e: :偏心質(zhì)量偏心質(zhì)量；m mw w: :液壓試驗(yàn)塔內(nèi)充液液壓試驗(yàn)塔內(nèi)充液設(shè)備操作時(shí)質(zhì)量：設(shè)備操作時(shí)質(zhì)量：M M0 0= =m m1 1+ +m m2 2+ +m m3 3 + +m m4 4+ +m m5 5+ +m ma a+ +m me e 設(shè)備最大質(zhì)量設(shè)備最大質(zhì)量（水壓試驗(yàn)時(shí)）：（水壓試驗(yàn)時(shí)）：M Mmaxmax= =m m1 1+ +m m2 2+ +m m3 3 + +m m4 4+ +m mw w+ +m ma a+ +m me e設(shè)備最小質(zhì)量：設(shè)備最小質(zhì)量：m mminmin = =m

5、m1 1+0.2+0.2m m2 2 + +m m3 3+ +m m4 4 + +m ma a+m+me e 0.20.2m m2 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、空塔吊裝，如未裝保溫層、平臺(tái)、扶梯等，則平臺(tái)、扶梯等，則m mminmin應(yīng)扣應(yīng)扣除除m m3 3和和m m4 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，垂直于塔背后氣流引起周期性旋渦，垂直于風(fēng)向的誘發(fā)振動(dòng)彎矩。只在塔風(fēng)向的誘發(fā)振動(dòng)彎矩。只在塔H H/ /D D較較大

6、、風(fēng)速較大時(shí)較明顯，一般可忽略。大、風(fēng)速較大時(shí)較明顯，一般可忽略?？紤]兩彎矩矢量疊加。考慮兩彎矩矢量疊加。（1 1）水平風(fēng)力的計(jì)算）水平風(fēng)力的計(jì)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)。空氣密度、地區(qū)和季節(jié)有關(guān)。各地離地面各地離地面1010mm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(jì)算風(fēng)壓，分鐘內(nèi)平均風(fēng)速最大值作為計(jì)算風(fēng)壓，得到該地區(qū)的基本風(fēng)壓得到該地區(qū)的基本風(fēng)壓q q0 0，見見表表4-264-26。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1010mm，應(yīng)應(yīng)分段計(jì)算風(fēng)載荷分段計(jì)算風(fēng)載荷，視離地面高度的不同乘，視離地面高度的不

7、同乘以高度變化系數(shù)以高度變化系數(shù)f fi i，見見表表4-274-27。風(fēng)壓還與塔高度、直徑、形狀以及自振周風(fēng)壓還與塔高度、直徑、形狀以及自振周期有關(guān)。兩相鄰計(jì)算截面間的水平風(fēng)力為：期有關(guān)。兩相鄰計(jì)算截面間的水平風(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，但均不應(yīng)小于均不應(yīng)小于250250N/N/2 2；f fi i- -風(fēng)壓高度變化系數(shù)，風(fēng)壓高度變化系數(shù)，表表4-274-27 L Li i- -第計(jì)算段長(zhǎng)度第計(jì)算段長(zhǎng)度； D Deiei- -塔各計(jì)算段有效直徑塔各計(jì)算段有效直徑； K K1 1- -體型系數(shù)，圓柱直立設(shè)

8、備體型系數(shù)，圓柱直立設(shè)備0.70.7K K2i2i- -各計(jì)算段風(fēng)振系數(shù)，各計(jì)算段風(fēng)振系數(shù)，602110eiiiiiDLfqKKPz z- -脈動(dòng)增大系數(shù)，按脈動(dòng)增大系數(shù)，按表表4-284-28查取；查??；V Vi i- -第第i i段脈動(dòng)影響系數(shù)，按段脈動(dòng)影響系數(shù)，按表表4-294-29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查查表表4-304-30；K K2i2i- -塔設(shè)備各計(jì)算段的風(fēng)振系數(shù)，塔設(shè)備各計(jì)算段的風(fēng)振系數(shù)，當(dāng)塔高當(dāng)塔高H H20m20m時(shí)，取時(shí)，取K K2i2i=1.7=1.7；當(dāng)當(dāng)H H20m20m時(shí)，時(shí)，iz

9、iiifvKf12（2 2）風(fēng)彎矩）風(fēng)彎矩任意截面的風(fēng)彎矩：任意截面的風(fēng)彎矩：602110eiiiiiDLfqKKP一般習(xí)慣自地面起每一般習(xí)慣自地面起每隔隔1010mm一段，風(fēng)壓定一段，風(fēng)壓定值。求出風(fēng)載荷值。求出風(fēng)載荷P Pi i22221211iiiiiiiiiiiwLLLPLLPLPM等直徑、等壁厚塔體等直徑、等壁厚塔體和裙座，風(fēng)彎矩最和裙座，風(fēng)彎矩最大值大值為最危險(xiǎn)截面為最危險(xiǎn)截面。變截面塔體及開有人變截面塔體及開有人孔的裙座體孔的裙座體，各個(gè)各個(gè)可疑的截面各自進(jìn)可疑的截面各自進(jìn)行應(yīng)力校核行應(yīng)力校核。圖中圖中0-00-0、1-11-1、2-22-2各各截面都是薄弱部位，截面都是薄弱部位

10、，可選為計(jì)算截面可選為計(jì)算截面。4. 4. 地震載荷地震載荷地震烈度七度及以上地區(qū)，設(shè)計(jì)地震烈度七度及以上地區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮地震載荷。時(shí)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(dòng)、水平方向振動(dòng)、 垂直方向振動(dòng)、垂直方向振動(dòng)、 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)其中以水平方向振動(dòng)其中以水平方向振動(dòng)危害較大。危害較大。計(jì)算地震力時(shí)，僅考計(jì)算地震力時(shí)，僅考慮水平地震力，并把慮水平地震力，并把塔設(shè)備看成是懸臂梁。塔設(shè)備看成是懸臂梁。（1 1）水平地震力）水平地震力實(shí)際全塔質(zhì)量按全實(shí)際全塔質(zhì)量按全塔或分段均布。塔或分段均布。計(jì)算地震載荷與計(jì)計(jì)算地震載荷與計(jì)算風(fēng)載荷一樣，算風(fēng)載荷一樣，將全塔沿高度分將全塔沿高度

11、分成若干段，每一成若干段，每一段質(zhì)量視為集中段質(zhì)量視為集中于該段于該段1/21/2處處F FK1K1- -m mK 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；m mK 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(duì)應(yīng)與塔基本自振周期對(duì)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處集處集中質(zhì)量中質(zhì)量mmK K引起基本振型的水

12、平引起基本振型的水平地震力地震力gmCFKKzK111haniiiniiiKKhmhmh1315 . 15 . 11h（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 amaxmaxm meqeq- -塔設(shè)備的當(dāng)量質(zhì)量，塔設(shè)備的當(dāng)量質(zhì)量， m meqeq=0.75=0.75m m0 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：gmFeqmax00aniFhm

13、hmFnkkkiiii, 2 , 1001（3 3）地震彎矩）地震彎矩任意截面任意截面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和底和底截面截面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，或高度大于等或高度大于等于于2020mm時(shí)，考慮高振型時(shí)，考慮高振型niKKiiEihhFM11gHmCMzEi01003516a5 . 35 . 25 . 35 . 201414101758hhHHHgmCMziiEiaiiEiiiEMM25. 15. 5. 偏心載荷偏心載荷塔外附屬設(shè)塔外附

14、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)懸掛再沸器偏心載荷引起軸向壓偏心載荷引起軸向壓應(yīng)力和軸向彎矩應(yīng)力和軸向彎矩MMe e，gemMee 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塔設(shè)備由內(nèi)壓或外壓引起的軸向應(yīng)力應(yīng)力2 2操作或非操作時(shí)，重量及垂直地操作或非操作時(shí)，重量及垂直地震力引起的軸向應(yīng)力（壓應(yīng)力）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)引起的軸向最大彎矩在筒體內(nèi)引起的軸向應(yīng)力應(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)的最大地震最大

15、平均風(fēng)速和可能出現(xiàn)的最大地震烈度，同時(shí)達(dá)到最大值的幾率極小。烈度，同時(shí)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：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(yàn)時(shí)間人為選定且時(shí)間較水壓試驗(yàn)時(shí)間人為選定且時(shí)間較短，在實(shí)驗(yàn)情況下最大彎矩取值短，在實(shí)驗(yàn)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(jì)算最大軸向組合應(yīng)力的計(jì)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

16、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)背背風(fēng)風(fēng) 應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)狀態(tài)1+0-02- 3+-+-+-+- max 1- 2+ 3-（ 2+ 3） -（ 1+ 2+ 3）- 2+ 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)在最大組合軸向拉應(yīng)力，出現(xiàn)在正常操作時(shí)的迎風(fēng)側(cè)，即：正常操作時(shí)的迎風(fēng)側(cè)，即： 最大組合軸向壓應(yīng)力，出現(xiàn)在最大組合軸向壓應(yīng)力，出現(xiàn)在停修時(shí)的背風(fēng)側(cè)，即：停修時(shí)的背風(fēng)側(cè)，即：iiii321max)(32maxiiii（2 2） 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)最大組合軸向壓應(yīng)力，出現(xiàn)在正常操作時(shí)的背風(fēng)側(cè)，

17、即：在正常操作時(shí)的背風(fēng)側(cè)，即： 最大組合軸向拉應(yīng)力，出現(xiàn)在最大組合軸向拉應(yīng)力，出現(xiàn)在停修時(shí)的迎風(fēng)側(cè)，即：停修時(shí)的迎風(fēng)側(cè)，即：)(321maxiiiiiiii32max2. 2. 強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核 根據(jù)根據(jù)正常操作正常操作或或停車檢修停車檢修時(shí)的各種危時(shí)的各種危險(xiǎn)情況，求出最大組合軸向應(yīng)力，險(xiǎn)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，必須滿足強(qiáng)度條件與穩(wěn)定性條件，表表4-344-34。周向拉應(yīng)力只進(jìn)行強(qiáng)度校核，因?yàn)椴恢芟蚶瓚?yīng)力只進(jìn)行強(qiáng)度校核，因?yàn)椴淮嬖诜€(wěn)定性問(wèn)題。存在穩(wěn)定性問(wèn)題。軸向壓應(yīng)力既要滿足強(qiáng)度要求，又必軸向壓應(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

18、雙重校核。須滿足穩(wěn)定性要求，進(jìn)行雙重校核。名名 稱稱 強(qiáng)度校強(qiáng)度校核核穩(wěn)定性校核穩(wěn)定性校核周向最大拉應(yīng)周向最大拉應(yīng)力力 maxK tf f 軸向最大壓應(yīng)軸向最大壓應(yīng)力力 maxK tK0.06Et ei/RiK為載荷組合系數(shù)，取為載荷組合系數(shù)，取K=1.2。表表4-34 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(yàn)時(shí)應(yīng)力校核水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核(1) (1) 關(guān)于拉應(yīng)力關(guān)于拉應(yīng)力 環(huán)向拉應(yīng)力的驗(yàn)算在第十五章環(huán)向拉應(yīng)力的驗(yàn)算在第十五章 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)

19、(2) 設(shè)備充水（未加壓）后最大質(zhì)量和最設(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)力大彎矩在殼體中引起的組合軸向壓應(yīng)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)塔體，最大風(fēng)彎矩引起的彎曲應(yīng)力力 3 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， 3 3i i- -i i的最大應(yīng)力發(fā)生在裙的最大應(yīng)力發(fā)生在裙座底截面座底截面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

20、、 裙座裙座按所支承設(shè)備按所支承設(shè)備的高度與直的高度與直徑比，裙座徑比，裙座分成兩種：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)省材圓筒形裙座制造方便和節(jié)省材料，被廣泛采用。料，被廣泛采用。圓錐形裙座：地角螺栓較多和圓錐形裙座：地角螺栓較多和基礎(chǔ)環(huán)承受面積較大，承受基礎(chǔ)環(huán)承受面積較大，承受較大風(fēng)載荷和地震載荷。較大風(fēng)載荷和地震載荷。 群座體群座體（Q235-AQ235-A或或1616MnMn）、）、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(yàn)算圓筒形群座體壁厚的驗(yàn)算先先參照筒體厚度試取一群座體壁厚參照筒體厚度試取一群座體壁厚s s驗(yàn)算危險(xiǎn)截面的應(yīng)力，群座體底截面驗(yàn)算危險(xiǎn)截面的應(yīng)力，群座體底截面和人孔截面和人孔截面組合應(yīng)力滿足條件后，壁厚附加、圓整組合應(yīng)力滿足條件后，壁厚附加、圓整( (二二) )基礎(chǔ)環(huán)板設(shè)計(jì)基礎(chǔ)環(huán)板設(shè)計(jì)1 1、基礎(chǔ)環(huán)板內(nèi)、外徑、基礎(chǔ)環(huán)板內(nèi)、外徑2 2、基礎(chǔ)環(huán)板厚度、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