塔強設計演示文稿

塔強度設計演示文稿當前第1頁\共有73頁\編于星期二\5點2、篩板塔確定塔板數和塔板效率選取塔板間距和塔高計算塔徑機械設計結構設計塔盤布置與驗算六項內容中的前四項屬于工藝設計2當前第2頁\共有73頁\編于星期二\5點①裙座最低截面——裙座筒體與基礎環(huán)的連接處；②裙座人孔截面；③塔體最低截面——塔體與裙座的連接處；④塔體與裙座的焊縫截面。機械設計內容1、按設計條件初定塔體壁厚；2、計算塔在危險截面的總載荷；3、同時考慮總載荷與操作壓力校核塔體壁厚及塔的穩(wěn)定性；4、設計裙座、確定地腳螺栓的規(guī)格及數量。塔設備的主要危險截面本節(jié)主要講載荷分析、塔體和裙座的強度及穩(wěn)定性校核、塔設備的振動3當前第3頁\共有73頁\編于星期二\5點當前第4頁\共有73頁\編于星期二\5點8.1.1 塔的固有周期8.1.2 塔的載荷分析5當前第5頁\共有73頁\編于星期二\5點質量載荷塔設備在正常操作時的質量

mo=mo1+mo2+mo3+mo4+mo5+ma+me塔設備在水壓試驗時的質量（此時最大）

mmax=mo1+mo2+mo3+mo4+mw+ma+me塔設備在停車檢修時的質量（此時最小）

mmin=mo1+0.2mo2+mo3+mo4+ma+me

(注：書上mmin式中無me不對）6當前第6頁\共有73頁\編于星期二\5點式中：mo1——塔體和裙座的質量；

mo2——塔內件（如塔盤、填料等）的質量；

m03——保溫材料的質量；

mo4——操作平臺和扶梯的質量；

mo5——操作時塔內物料的質量；

ma——塔附件（如人孔、接管、法蘭等）的質量；

me——偏心構件（如吊柱再沸器、冷凝器等）的質量；

mw——水壓試驗時，塔內充水的質量；

0.2——折算系數，檢修時有些內件(如塔板、填料等)拿掉偏心彎矩

Me=mege式中：g、e——依次為重力加速度和偏心距（偏心構件的重心至塔中心線的距離。7當前第7頁\共有73頁\編于星期二\5點

在不考慮操作平臺及外部管線的限制作用時，若將塔設備視為具有多個自由度的體系，則它就有多個固有頻率，最低的稱為基本固有頻率或基本頻率。各質點振動后的變形曲線稱為振型。與基本固有頻率對應的周期稱為基本固有周期或基本周期。1

塔的固有周期當前第8頁\共有73頁\編于星期二\5點

等直徑、等厚度塔的固有周期9當前第9頁\共有73頁\編于星期二\5點T1的求法：等直徑、等壁厚塔器的基本自震周期：當前第10頁\共有73頁\編于星期二\5點

不等直徑、不等厚度塔的固有周期11當前第11頁\共有73頁\編于星期二\5點處理成多個塔節(jié)組成，將每個塔節(jié)化為質量集中于其重心的質點，并采用質量折算法計算第一振型的固有周期。質量折算法的基本思想是將一個多自由度體系，用一個折算的集中質量來代替，從而將一個多自由度體系簡化成一個單自由度體系。確定集中質量的原則是使兩個相互折算體系在振動時產生的最大動能相等。不等直徑、不等厚度塔的固有周期當前第12頁\共有73頁\編于星期二\5點T1的求法：

不等直徑或不等壁厚塔器的基本自震周期：當前第13頁\共有73頁\編于星期二\5點1、地震載荷（參見JB4710）地震起源于地殼深處，地震波傳到地面時，會使塔設備發(fā)生振動。

地震載荷可以分解為三個平動分量和三個轉動分量。轉動分量實測數據很少，一般不予考慮。地面水平方向（橫向）的運動會使設備產生水平方向的振動，危害較大。垂直方向較小，一般只有在地震烈度為8度或9度地區(qū)的塔設備才考慮縱向振動的影響。14當前第14頁\共有73頁\編于星期二\5點震級地震烈度基本烈度地震規(guī)模的大小，由地震能量決定，能量越大、震級就越大。發(fā)生地震時，地區(qū)的危害程度、震級越大、該地區(qū)距地震中心的距離（震中距）越小、地質條件越有利于地震波的傳播，地震烈度就越大。某地區(qū)在今后一定時期內，可能遭遇到的最大地震烈度。基本烈度分為12個等級，12度最高，然后依次降低。當基本烈度在7度及以上時，就應考慮水平地震分量對塔設備的影響，當達到8度及以上時，應同時考慮水平和垂直地震分量對塔設備的影響。設計烈度抗震設計時采用的地震烈度，根據基本烈度和設備重要性等確定，設計烈度不小于基本烈度。15當前第15頁\共有73頁\編于星期二\5點（1）地震力計算

a.水平地震力所謂地震力是地震時地面運動對于設備的作用力。對于底部剛性固定在基礎上的塔設備，如將其簡化成單質點的彈性體系，則地震力即為該設備質量相對于地面運動時的慣性力。①塔底剛性固定；②沿塔高分布多個質點（m1~mn），各質點分別代表直徑和壁厚相等的一段塔（均質段）的質量（質心位置）；③彈性體系；④水平地震力自塔底向上傳遞，各質點產生慣性力；⑤mk是第k段塔（均質段）的質量，mk位于計算截面Ⅰ－Ⅰ之上。模型特征當前第16頁\共有73頁\編于星期二\5點第k段塔節(jié)重心處（k質點處）產生的相當于第一振型（基本振型）的水平地震力為Fk1=α1ηk1mkg式中：Fk1——任意一個質點mk的水平地震力，Nα1——相應于設備第一自振周期T1的地震影響系數，根據T1和塔安裝地的地質情況由下圖確定：17當前第17頁\共有73頁\編于星期二\5點ηk1——相應于設備第一自振周期T1的質點mk的振型系數：式中：hk——第k段塔的集中質量mk（質心）離地面的距離，（見圖8-5，mk位于計算截面Ⅰ－Ⅰ之上），mmi——第i段塔在操作時的集中質量，kg;hi——mi（質心）離地面的距離，m18當前第18頁\共有73頁\編于星期二\5點對于直徑、等壁厚的塔，質量沿塔高是均布的，mk的振型系數為：式中：H——塔的總高度，mmk——kg;g——重力加速度，取g=9.81m/s2。19當前第19頁\共有73頁\編于星期二\5點20當前第20頁\共有73頁\編于星期二\5點塔底截面0－0的垂直地震力為：b.垂直地震力Fv0－0=αvmaxmeqg式中：αvmax——垂直地震影響系數的最大值，αvmax

=0.65α1max;meq——塔設備的當量質量，meq=0.75m0;m0——塔設備在操作時的集中質量，kg21當前第21頁\共有73頁\編于星期二\5點塔在任意質點i處的垂直地震力為：（2）地震彎矩水平地震力對塔構成彎矩（質量沿塔高非均布的塔設備）：22當前第22頁\共有73頁\編于星期二\5點對于等直徑、等壁厚、即質量沿塔高均布的塔設備（常見）：式中：——塔設備任意計算截面的地震彎矩，N·m；——塔設備底部截面的地震彎矩，N·m；h——計算截面Ⅰ－Ⅰ距塔底的距離，m;m——塔設備在操作時的總重量，kg.23當前第23頁\共有73頁\編于星期二\5點以上計算是按塔的第一振型（一階共振）進行的，當H/D>15或H≥20m時，還必須計算高階振型的地震力和地震彎矩，為使問題簡單化，可按下式考慮各振型的地震彎矩：24當前第24頁\共有73頁\編于星期二\5點風力除了使塔體產生應力和變形外，還可能使塔體產生順風向的振動（縱向振動）及垂直于風向的誘導振動（橫向振動）。強度及失穩(wěn)、效率降低。風載荷是隨機載荷，對于順風向風力，可視為兩部分組成：平均風力（靜載荷）與脈動風力（動載荷）。通常將動載荷折算成靜載荷，由于動載荷會引起塔設備的振動，因此折算系數稱為風振系數。2、風載荷（風力）25當前第25頁\共有73頁\編于星期二\5點2、風載荷（風力）塔設備的主要危險截面位于塔的不同高度，在不同高度處的風力不同，應分別計算（分段計算），見右圖中的l1~ln段。圖中q1~qn為各段風力的均布載荷（風壓），P1~Pn為各段風力的集中載荷。26當前第26頁\共有73頁\編于星期二\5點（2）風載計算（參見JB4710）Pi=k1k2iqiliDei式中：Pi——塔設備中第

i

計算段所受的水平風力，N；

ki——塔的體型系數，塔為細長圓柱體，可取k1=0.7; k2i——塔設備中第i計算段的風振系數；

qi——塔設備中第i計算段的風壓，Pa；

li——塔設備中第i計算段的高度，m，見圖7－74；

Dei——塔設備中第i計算段的迎風面的有效直徑，m。27當前第27頁\共有73頁\編于星期二\5點a.風壓qi若塔高H≤10m，以塔頂風壓作為整個塔的風壓；若H>10m，應從塔底每10m分為一段，按下式分段計算風壓； qi=fiqo式中：qo——基本風壓，Pa；

fi——風壓隨高度變化的系數。28當前第28頁\共有73頁\編于星期二\5點①基本風壓qo(qo可直接查表)式中：ρ——空氣密度，kg/m3，隨當地的高度和濕度而異，中國設計規(guī)范規(guī)定：各地均取一個大氣壓、10℃時的干空氣密度，即ρ=1.25kg/m3；

vo——基本風速，m/s，隨當地季節(jié)和離地面的高度而異，中國設計規(guī)范規(guī)定：取當地30年一遇、離地面10m高處、以10min為時距所得的最大風速的平均值。29當前第29頁\共有73頁\編于星期二\5點②風壓隨高度變化的系數fi（fi可直接查表）地表通常是凸凹不平的，當風刮過時，不平的地表對風速、風壓產生阻礙作用，使其產生梯度。研究表明：在一定高度內，高度越大，風速、風壓就越小，風速、風壓隨高度變化呈指數關系。注：風壓不是氣壓，地表處空氣密度大，氣壓也大，而風壓（均布載荷）卻小。30當前第30頁\共有73頁\編于星期二\5點31當前第31頁\共有73頁\編于星期二\5點32當前第32頁\共有73頁\編于星期二\5點b.風振系數k2i脈動風力的大小會影響塔振幅（搖晃度）的大小，脈動風力越大，振幅也越大，振動周期也越長；塔在迎風的振動行程內，會使脈動風力相對增大，振幅越大即振動周期越長，脈動風力增大得也越多。若塔高H≤20m，取k2i=1.70若塔高H>20m，按下式計算：式中：ξ——脈動風力的增大系數，與風壓和振動周期有關，見表7-6；

vi——塔設備中第i計算段的脈動風力的影響系數，與地表粗糙度 和第i段所在高度有關，見表7－7；；

φZi——塔設備第i計算段的振型系數，與第i段所在高度相對塔 的高度和塔頂直徑相對塔底直徑有關，見表7－8。33當前第33頁\共有73頁\編于星期二\5點34當前第34頁\共有73頁\編于星期二\5點35當前第35頁\共有73頁\編于星期二\5點c.塔設備中第i計算段的迎風面的有效直徑Dei塔設備承受風力的寬度不僅是塔徑，還包括保溫層、扶梯、操作平臺、外接管道、管道保溫層等。塔體保溫層和操作平臺總是相對塔體中軸線對稱的，而扶梯和外接管道（及其保溫層）卻不對稱，但是不外乎以下三種情形：36當前第36頁\共有73頁\編于星期二\5點37當前第37頁\共有73頁\編于星期二\5點當籠式扶梯與塔頂管道布置成180°時：Dei=Doi+2δsi+k3+k4+d0+2δps式中：當籠式扶梯與塔頂管道布置成90°時，Dei取以下兩式中的較大值：Dei=Doi+2δsi+k3+k4Dei=Doi+2δsi+k4+d0+2δpsDoi——塔設備中第i計算段的外徑，m;δsi——塔設備中第i計算段的保溫層厚度，md0——塔頂管線的外徑，m;δps——塔頂管線的保溫層厚度，m;k3——籠式扶梯的當量寬度，無確定數據時，取k3=0.40m;38當前第38頁\共有73頁\編于星期二\5點k4——操作平臺的當量寬度，m：ΣA——第i段內操作平臺構件在風力方向的投影面積（不計空擋的投影面積），m2；h0——第i段內操作平臺的高度，m系數2——操作平臺在迎風側半周和背風側半周均能產生投影面積ΣA。注：k4是投影寬度的當量尺寸。式中：h0li39當前第39頁\共有73頁\編于星期二\5點（2）風力彎矩的計算40當前第40頁\共有73頁\編于星期二\5點（2）風力彎矩的計算參照圖8-8，分別計算各段的底部截面（危險截面）的風力彎矩：第一段底部截面（塔底）：第二段底部截面：第三段底部截面：以此類推，算出各危險截面的風力彎矩?？梢娤露螌ι隙尾黄鹱饔?，彎矩是本段和上部各段的累計）41當前第41頁\共有73頁\編于星期二\5點3、偏心彎矩

Me=mege式中：g、e——依次為重力加速度和偏心距（偏心構件的重心至塔中心線的距離。42當前第42頁\共有73頁\編于星期二\5點最大彎矩是偏心彎矩Me、風力彎矩Mw和地震彎矩ME的綜合。若假設Me、Mw和ME同時出現、且出現在塔的同一方向，則偏于保守，因為風速最大時未必發(fā)生地震，或震級未必最高。另外，水壓試驗時間較短，一般遇不到地震。為此，最大彎矩Mmax按下列方法計算：操作或停車時：Mmax=max{Mw+Me,ME+0.25Mw+Me}水壓試驗時：Mmax=0.3Mw+Me塔設備的最大彎矩43當前第43頁\共有73頁\編于星期二\5點各種載荷引起的軸向應力（1）內壓或外壓引起的軸向拉或壓應力（2）重力及垂直地震力引起的軸向壓應力 （最大彎矩中無地震彎矩時 ）（3）最大彎矩引起的軸向拉（或壓）應力筒體的強度及穩(wěn)定性校核44當前第44頁\共有73頁\編于星期二\5點當前第45頁\共有73頁\編于星期二\5點當前第46頁\共有73頁\編于星期二\5點當前第47頁\共有73頁\編于星期二\5點當前第48頁\共有73頁\編于星期二\5點當前第49頁\共有73頁\編于星期二\5點當前第50頁\共有73頁\編于星期二\5點3）穩(wěn)定性校核求出的最大組合軸向壓應力，并使之等于或小于軸向許用壓應力[σ]cr值。許用軸向壓應力按下式求取：式中

B—按6.2節(jié)“筒體軸向壓應力的驗算”求?。?/p>

[σ]t—材料在設計溫度下的許用應力，MPa；

K—載荷組合系數，取K＝1.2。當前第51頁\共有73頁\編于星期二\5點

計算出的最大組合軸向拉應力應滿足下式：4、塔體拉應力校核當前第52頁\共有73頁\編于星期二\5點5．塔體最終厚度的確定

按設計壓力計算的塔體厚度Se；按穩(wěn)定條件驗算確定的厚度Sei；按抗拉強度驗算條件確定的厚度Sei；取上述三者中的最大值，作為塔體的有效厚度。當前第53頁\共有73頁\編于星期二\5點裙座不受塔的內壓或外壓所引起的應力，裙座的最大組合拉應力總是小于最大組合壓應力，裙座底部截面、人孔截面、管線引出孔截面、裙座與塔體焊接的截面是危險截面。裙座基礎環(huán)和地腳螺栓的設計計算也屬于本部分的內容。7.5.4 裙座的設計與強度及穩(wěn)定性校核（1）裙座筒體首先參照塔體壁厚試取一裙座筒體的有效壁厚δes，然后校核各危險截面的最大壓應力。校核思路及方法基本與塔的筒體相同，例如塔底截面0－0：54當前第54頁\共有73頁\編于星期二\5點σ20－0+σ30－0≤min{k[σ]t,kB}——操作時σ20－0+σ30－0≤min{0.9kσs,kB}——壓力試驗時（2）裙座基礎環(huán)①基礎環(huán)的外徑、內徑可按下式選?。害?0－0、σ30－0的意義及算式參照σ2Ⅰ－Ⅰ

、σ3Ⅰ－Ⅰ

，因操作與試壓時Mmax不同，故σ30－0

也不相同；其余參數意義同前。式中：D0b=Dis+(0.16~0.40)mDib=Dis－(0.16~0.40)m式中符號意義見下圖55當前第55頁\共有73頁\編于星期二\5點56當前第56頁\共有73頁\編于星期二\5點②基礎環(huán)的厚度a.基礎環(huán)應力分布三個應力圖是把基礎環(huán)表達成整體的圓板，但是下面計算應力時仍以實際的環(huán)板。圖中Q=mg57當前第57頁\共有73頁\編于星期二\5點b.無筋板基礎環(huán)的厚度δb基礎環(huán)的最大應力是各種載荷的特定綜合，見圖7－81下圖：P=σbmax·b·(1個單位長度)P對梁根部的彎矩為：將無筋板基礎環(huán)看作懸臂梁，梁上受均布載荷σbmax，梁長為 ，梁寬為L=1個單位長度，則梁上的集中力P（見圖7－79）為：σbmax=σ20－0+σ30－0（取正常操作和水壓試驗的較大值）58當前第58頁\共有73頁\編于星期二\5點梁根部的上、下表面的彎曲應力為：如圖7－80，將基礎環(huán)看作是承受均布載荷σbmax的矩形板（b×l），兩個b邊由筋板支承（簡支），內緣l邊焊在裙座筒體上（固支），外緣l邊為自由邊。根據平板理論，可算出矩形板的最大彎矩Ms。c.有筋板基礎環(huán)的厚度δb式中：[σ]b——基礎環(huán)材料的許用應力59當前第59頁\共有73頁\編于星期二\5點塔設備只在彎矩（偏心質量、風力、水平地震力）作用下會沿風向傾倒，迎風側螺栓受拉，北海風側螺栓不受力。在彎矩和重力的共同作用下，因重力抵消一部分或全部傾倒力矩，故迎風側螺栓所受拉力減小，甚至拉力為零，背風側螺栓仍不受力。為安全起見，規(guī)定無論塔設備有無傾倒力矩，都要設地腳螺栓。因為地腳螺栓還有防止塔設備水平滑移的作用。（3）地腳螺栓60當前第60頁\共有73頁\編于星期二\5點塔設備在下列兩種情況下容器傾倒，應分別計算基礎環(huán)在迎風側的最大拉應力σB：①安裝情況下、即重量最輕時；②操作情況下再受地震力時若σB≤0，則塔設備足夠穩(wěn)定，不會傾倒，但為安全起見，仍需設置一定規(guī)格及數量的地腳螺栓。若σB>0，則塔設備有傾倒危險，必須設置地腳螺栓。假設迎風側每個螺栓所承受的最大拉力為T：61當前第61頁\共有73頁\編于星期二\5點式中：[σ]bt——地腳螺栓材料的許用應力；

c4——腐蝕裕度。地腳螺栓小徑：式中：Ab——基礎環(huán)面積，

n——地腳螺栓個數62當前第62頁\共有73頁\編于星期二\5點7.6 塔設備的振動安裝于室外的塔設備，在風力作用下將產生兩個方向的振動，一是順風向水平振動，二是橫風向水平振動（又稱為誘導振動）。前者是塔器常規(guī)設計的主要內容——以研究計算塔共振時的固有周期（又稱為自振周期），和脈動風力（用風振系數將脈動風力折算成穩(wěn)定風力）為主要內容；后者在晚期的塔器設計中才給予了考慮——以研究計算卡曼渦街、升力、和臨界風速等為主要內容。63當前第63頁\共有73頁\編于星期二\5點1.等直徑、等壁厚塔的固有周期T（s）7.6.1 塔的固有周期64當前第64頁\共有73頁\編于星期二\5點式中：m——塔在單位高度內的質量，kg/m；

H——塔高，m; E——塔體材料在設計溫度下的彈性模量，Pa；

I——塔截面的形心軸慣性矩，一階固有周期二階固有周期三階固有周期式中：D0、Di依次為塔的外徑、內徑，m65當前第65頁\共有73頁\編于星期二\5點2.不等直徑或不等壁厚塔的固有周期T（s）66當前第66頁\共有73頁\編于星期二\5點mi、hi——第i段塔的質量（kg）及其質心到塔底的高度（m）；H——塔高，m;Hi——第i段塔的底部截面至塔頂的距離，m；Ei——第i段塔的材料在設計溫度下的