塔设备强度设计计算
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本帖被 tandongchi 从 图纸专区 移动到本区(2010-07-21) 一、塔体的强度计算
安装在室外的高度与直径比（H/D）较大的塔设备，除承受操作压力外，还要承受质量载荷、风载荷、地震载荷和偏心载荷等，见塔设备各种载荷示意图。因此，在进行塔设备设计时必须根据受载情况进行强度计算与校核。 ㈠ 按设计压力计算筒体及封头壁厚
按本篇第十五章\容器设计基础\中内压、外压容器的设计方法，计算塔体和封头的有效厚度。
㈡ 塔设备所承受的各种载荷计算
以下要讨论的载荷主要有：操作压力；质量载荷；风载荷；地震载荷；偏心载荷。
１． 操作压力
当塔为内压时，在塔壁上引起周向及轴向拉应力；当塔为外压时，在塔壁上引起周向及轴向压应力。操作压力对裙座不起作用。 ２． 质量载荷
塔设备的质量包括塔体、裙座体、内构件、保温材料、扶梯和平台及各种附件等的质量，还包括在操作、停修或水压试验等不同工况时的物料或充水质量。 设备操作时的质量
m0=m1+m2+m3+m4+m5+ma+me （4-42） 设备的最大质量（水压试验时）
mmax =m1+m2+m3+m4+mw+ma+me （4-43）
设备最小质量 mmin =m1+0.2m2+m3+m4+ma+me （4-44） 式中：
m1:塔体和裙座质量，Kg； m2:内件质量，Kg； m3:保温材料质量，Kg； m4:平台、扶梯质量，Kg； m5:操作时塔内物料质量，Kg；
ma:人孔、接管、法兰等附件质量，Kg； me:偏心质量，Kg；
mw:液压试验时，塔内充液质量，Kg；
0.2m2:考虑内件焊在塔体上的部分质量，如塔盘支承圈、降液管等。
当空塔吊装时，如未装保温层、平台、扶梯等，则mmin应扣除m3和m4。 在计算m2、m4及m5时，若无实际资料，可参考表4-25进行估算。 表4-25 塔设备部分内件、附件质量参考值
名称 笼式扶梯 开式扶梯 钢制平台 圆形泡罩塔盘 条形泡罩塔盘 筛板塔盘 浮阀塔盘 舌型塔盘 塔盘充液 单位质量 40Kｇ/m 15～24
Kｇ/m 150Kｇ/m2 150Kｇ/m2 150Kｇ/m2 65Kｇ/m2 75Kｇ/m2 75Kｇ/m2 70Kｇ/m2
塔设备各种载荷示意图(见下页)
风载荷:
安装在室外的自支承式塔设备，可视为支承在地基上的悬臂梁。塔设备在风力作用下，一方面产生顺风向的弯矩，即风弯矩，它在迎风面塔壁和裙座体壁上产生拉应力，背风面一侧产生压应力。另一方面是气流在塔的背后引起周期性旋涡，产生垂直于风向的诱发振动弯矩。诱发振动弯矩只在塔的H/D较大、风速较大时比较明显，一般可忽略不计。需要考虑时，可将诱发共振弯矩与风弯矩按矢量叠加。 （1）水平风力的计算
风吹在塔上，在迎风面产生风压。风压的大小与风速、空气密度、所在的地区和季节有关。根据各地区离地面高度为10m处30年一遇10分钟内的平均风速最大值作为计算风压，得到该地区的基本风压q0，见表4-26。
风的粘滞作用使风速随地面高度而变化。如果塔设备高于10m，则应分段计算各段的风载荷，视离地面高度的不同乘以高度变化系数fi，见表4-27。
风压的大小还与塔设备的高度、直径、形状以及自振周期有关。两相邻计算截面间的水平风力为：
（4-45） 式中：
Pi-水平风力，N；
q0-基本风压值，N/ｍ2，见表4-26，但均不应小于250N/ｍ2； Li-第计算段长度（见风弯矩计算简图），mm； fi-风压高度变化系数，按表4-27选取； K1-体型系数，圆柱直立设备取0.7； Dei-塔设备各计算段的有效直径，mm； 当笼式扶梯与塔顶管线布置成180°时，可取
当笼式扶梯与塔顶管线布置成90°时，取下列两式中的较大值：
式中：
Doi-塔设备各计算段的外径，mm； d0-塔顶管线外径，mm； ps-管线保温层厚度，mm；?
si-塔设备器第i段保温层厚度，mm；?
K3-笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取K3=400mm； K4-操作平台当量宽度，mm；可取 ；
∑A-第i段内平台构件的投影面积（不计空档投影面积），mm2； l0-操作平台所在计算段长度，mm；
K2i-塔设备各计算段的风振系数，当塔高H≤20m时，取K2i=1.7；当H>20m时，按下式计算
-脉动增大系数，按表4-28查取；?
Vi-第i段脉动影响系数，按表4-29查取；
查表4-30；?zi- 第i段振型系数，根据Hi/H与?
（2）风弯矩
在计算风载荷时，常常将塔设备沿塔高分成若干段，如下图所示。一般习惯自地面起每隔10m分成一段，把每段内的风压值看为定值。按式（4-45）分段求出风载荷Pi后，即可近似的视为合力Pi作用在该段的1/2处而求风弯矩。任意截面的风弯矩 （4-46）
对于等直径、等壁厚的塔体和裙座体，风弯矩的最大值在各自的最低处，所以塔体和裙座体的最低截面为最危险截面。但在变截面的塔体及开有人孔的裙座体，由于各截面的受载断面和风弯矩都各不相同，很难判别那个是最危险截面。为此，必须选取各个可疑的截面作为计算截面并各自进行应力校核，各截面应能满足校核条件。上图中0-0、1-1、2-2各截面都是薄弱部位，可选为计算截面。 地震载荷
如果塔设备安装在地震烈度为七度及以上地区，设计时必须考虑地震载荷对塔设备的影响。塔设备在地震波的作用下有三个方向的运动：水平方向振动、垂直方向振动和扭转，其中以水平方向振动危害较大。为此，计算地震力时，仅考虑水平地震力对塔设备的影响，并把塔设备看成是固定在基础底面上的悬臂梁。 （1）水平地震力
对于实际应用的塔，全塔质量并不集中于顶点，而是按全塔或分段均布。计算地震载荷与计算风载荷一样，也是将全塔沿高度分成若干段，每一段质量视为集中于该段1/2处。即将塔设备化为多质点的弹性体系，见下面的多质点的弹性体系图。由于多质点体系有多种振型，按照振动理论，对于任意高度hK处的集中质量mK引起基本振型的水平地震力为 （4-47） 式中：
FK1-集中质量mK引起的基本振型水平地震力，N； Cz-综合影响系数，对圆筒形直立设备取Cz=0.5； mK-距离地面hK处的集中质量（见下左图），Kg； K1-基本振型参与系数，按 计算；?
值可查下右图，图中的曲线部分按 计算，但不得小于?值。?-对应与塔设备基本自振周期T1的地震影响系数?? ；
max-地震影响系数的最大值，见表4-31；? 表4-31 的最大值?地震影响系数 设计烈度 7 8 9
max 0.23 0.45 0.90?
Tg-各类场地土的特征周期，见表4-32； 表4-32 场地土的特征周期 场地土 近震 远震 Ⅰ 0.2 0.25 Ⅱ 0.3 0.40 Ⅲ 0.4 0.55 Ⅳ 0.65 0.85
T1-设备基本自振周期，s。
对于等直径、等壁厚的塔设备：
不等直径或不等厚度的塔设备：
H-塔的总高，mm；
m0-塔在操作时的总质量，kg； E-塔壁材料的弹性模量，MPa； e-筒体有效壁厚，mm；? Di-设备内径，mm；
Ei、Ei-1-第i段、第i-1段的材料在设计温度下的弹性模量，MPa； Ii、Ii-1-第i、第i-1段的截面惯性矩，mm4；
圆筒段、圆锥段 Dei-锥壳大端内直径，mm；Dif-锥壳小端内直径，mm； ei-各计算截面设定的圆筒或锥壳有效壁厚，mm。? （2）垂直地震力
设防烈度为8度或9度区的塔设备应考虑上下两个方向垂直地震力作用，见下图。
塔设备底截面处的垂直地震力按下式计算：
（4-48） 式中：
max；?vmax=0.65?vmax-垂直地震影响系数最大值，取? mep-塔设备的当量质量，取mep=0.75m0，Kg。 任意质量i处垂直地震力按下式计算： （4-49） （3）地震弯矩
塔设备任意计算截面i-i的基本振型地震弯矩按式（4-50）计算： （4-50）
式中 MEii-i-任意计算截面i-i的基本振型地震弯矩，N?mm。
对于等直径、等厚度塔设备的任意截面i-i和底截面0-0的基本振型地震弯矩分别按式（4-51）和式（4-52）计算： （4-51）
（4-52）
当塔设备H/D>15，或高度大于等于20m时，还需考虑高振型的影响，在进行稳定或其他验算时，地震弯矩可按式（4-53）计算
（4-53） 偏心载荷:
当塔设备外部装有附属设备时（如塔顶冷凝器偏心安装、塔低外侧悬挂再沸器），这些偏心载荷除了引起轴向压应力外，还要产生轴向弯矩Me，这弯矩不沿塔的高度而变化，其值可按下式计算
（4-54） 式中：
Me-偏心弯矩，N?mm； me-偏心质量，Kg； g-重力加速度，m/s2；
e-偏心矩，即偏心质量的中心距塔设备轴线的距离，mm。