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1、第十二章 塔设备强度 设计计算 主要内容： 了解塔所承受载荷的特点。 熟悉塔体和裙座承受的各项 载荷计算及强度校核步骤。 能够确定塔体和裙座体危险 截面，并掌握塔体壁厚的校 核方法。 一、塔体 强度计算 室外H/D较 大的塔， 操作压力、 质量载荷、 风载荷、 地震载荷 偏心载荷等 按设计压力计算筒体及封 头壁厚 按第十章“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。 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。 操作压力 内压塔，周向及轴向拉应力 ； 外压塔，周向及轴向压应力 。 操作压力对裙座不
2、起作用。 质量载荷 塔设备质量包括： m1:塔体和裙座质量； m2:内件；m3:保温材料； m4:平台、扶梯质量； m5:操作时塔内物料质量； ma:人孔、接管、法兰等附件质量； me:偏心；mw:液压试验时，塔内充液质量； 操作停修或水压试验等不同工况物料或充水 质量。 m1:塔体和裙座质量； m2:内件质量； m3:保温材料质量； m4:平台、扶梯质量； m5:操作时塔内物料； ma:人孔、接管等附件； me:偏心质量； mw:液压试验塔内充液 设备操作时质量： M0=m1+m2+m3 +m4+m5+ma+me 设备最大质量 （水压试验时）： Mmax=m1+m2+m3 +m4+mw+ma
3、+me 设备最小质量： mmin =m1+0.2m2 +m3+m4 +ma+me 0.2m2:部分内件焊在塔体 空塔吊装，如未装保温层 、平台、扶梯等，则mmin应 扣除m3和m4。 3. 风载荷 室外自支承塔为悬臂梁 。 产生风弯矩， 迎风面拉应力， 背风面压应力。 塔背后气流引起周期性旋涡，垂直于 风向的诱发振动弯矩。只在塔H/D较 大、风速较大时较明显，一般可忽略 。考虑两弯矩矢量叠加。 （1）水平风力的计算 迎风面产生风压。与风速、 空气密度、地区和季节有关。 各地离地面10m处30年一遇 10分钟内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12-2。 风速随地面高度
4、而变化。塔高于10m，应 分段计算风载荷，视离地面高度的不同乘 以高度变化系数fi，见表12-3。 风压还与塔高度、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 ： Pi-水平风力； q0-基本风压值，见表12-2，但 均不应小于250N/2； fi-风压高度变化系数，表12-3 Li-第计算段长度； Dei-塔各计算段有效直径； K1-体型系数，圆柱直立设备0.7 K2i-各计算段风振系数， z-脉动增大系数，按表12-4查取； Vi-第i段脉动影响系数，按表12-5查 fzi- 第i段振型系数，根据Hi/H与m查表 12-6； K2i-塔设备各计算段的风振系数， 当塔高H20
5、m时，取K2i=1.7； 当H20m时， （2）风弯矩 任意截面的风弯矩 ： 一般习惯自地面起每 隔10m一段，风压定 值。求出风载荷Pi 等直径、等壁厚塔体 和裙座，风弯矩最大 值为最危险截面。 变截面塔体及开有人 孔的裙座体，各个可 疑的截面各自进行应 力校核。 图中0-0、1-1、2-2各 截面都是薄弱部位， 可选为计算截面。 4. 地震载荷 地震烈度七度及以上地区，设计 时必须考虑地震载荷。 地震波作用下： 水平方向振动、 垂直方向振动、 扭转 其中以水平方向振动 危害较大。 计算地震力时，仅考 虑水平地震力，并把 塔设备看成是悬臂梁 。 （1）水平地震力 实际全塔质量按全 塔或分段均
6、布。 计算地震载荷与计 算风载荷一样， 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 FK1-mK引起的基本振型水平地震力 Cz-综合影响系数，直立圆筒Cz=0.5； mK-距离地面hK处的集中质量； hK1-基本振型参与系数， a1-对应与塔基本自振周期T1的地震影响系数a值。 有多种振型，任意高度hK处集 中质量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度的塔应考虑垂直地震力 塔底截面处垂直地震力： avmax-垂直地震影响系数最大值， avmax= 0.65amax meq-塔设备的当量质量， meq=0.75m0 任意质量i处垂直地震力： （3）
7、地震弯矩 任意截面i-i基本振型地震弯矩： 等直径、等厚度塔的任意截面i-i和底 截面0-0的基本振型地震弯矩： H/D15，或高度大于等 于20m时，考虑高振型 5. 偏心载荷 塔外附属设 塔顶冷凝器偏心安装 塔底外侧悬挂再沸器 偏心载荷引起轴向压 应力和轴向弯矩Me ， 圆筒的应力 1塔设备由内压或外压引起的轴向 应力 2操作或非操作时，重量及垂直地 震力引起的轴向应力（压应力） 3最大弯矩在筒体内引起的轴向 应力 风弯矩MW、地震弯矩ME、偏心弯矩 Me。 最大平均风速和可能出现的最大地震 烈度，同时达到最大值的几率极小。 通常操作下最大弯矩按下式取值： 最大弯矩在筒体中引起轴向应力 水
8、压试验时间人为选定且时间较 短，在实验情况下最大弯矩取值 筒体壁厚效核 最大轴向组合应力的计算 内压塔设备外压塔设备 正常操作停修正常操作停修 迎风 背风 迎风 背风迎风背风迎风 背 风 应力 状态 s1+0-0 s2- s3+-+-+-+- sma x s1-s2+s3-（s2+s3） -（s1+s2+s3 ） -s2+s3 （1） 内压操作的塔设备 最大组合轴向拉应力，出现在 正常操作时的迎风侧，即： 最大组合轴向压应力，出现在 停修时的背风侧，即： （2） 外压操作的塔设备 最大组合轴向压应力，出现 在正常操作时的背风侧，即： 最大组合轴向拉应力，出现在 停修时的迎风侧，即： 2. 强度
9、与稳定性校核 根据正常操作或停车检修时的各种危 险情况，求出最大组合轴向应力， 必须满足强度条件与稳定性条件， 表12-10。 周向拉应力只进行强度校核，因为不 存在稳定性问题。 轴向压应力既要满足强度要求，又必 须满足稳定性要求，进行双重校核 。 名 称 强度校 核 稳定性校核 周向最大拉应 力smax Kstf 轴向最大压应 力smax Kst K0.06Etei/Ri K为载荷组合系数，取K=1.2。 表12-10 轴向最大应力的校核条件 3. 水压试验时应力校核 (1) 关于拉应力 环向拉应力的验算在第十五章 最大组合轴向拉应力 (2) 设备充水（未加压）后最大质量和最 大弯矩在壳体中
10、引起的组合轴向压应力 K为载荷组合系数，取K=1.2。 塔体，最大风弯矩引起的弯曲应 力s3i-i发生在截面2-2上。 裙座，s3i-i的最大应力发生在裙 座底截面0-0或人孔截面1-1上。 二、 裙座 按所支承设备 的高度与直 径比，裙座 分成两种： 一种是圆筒形 ， 一种是圆锥形 。 圆筒形裙座制造方便和节省材 料，被广泛采用。 圆锥形裙座：地角螺栓较多和 基础环承受面积较大，承受 较大风载荷和地震载荷。 裙座体 （Q235-A或 16Mn）、 基础环板、 螺栓座、 基础螺栓, (一)圆筒形群座体壁厚的验算 先参照筒体厚度试取一群座体壁厚s 验算危险截面的应力，群座体底截面 和人孔截面 组
11、合应力满足条件后，壁厚附加、圆整 (二)基础环板设计 1、基础环板内、外径 2、基础环板厚度, 背风侧外缘压应力大，组合轴向压应力 （1）基础环板上无筋板 基础环板厚度 不小于16mm 基础环板厚度不 小于16mm （2）基础环板上有筋板 Ms计算力矩，按表4-35计 算Mx和My，取绝对值较大 （三）地脚螺栓 迎风侧可能出现零值甚至是拉应力 基础面上由螺栓承受的最大拉应力为 B0塔自身稳定，固定位置加螺栓 B0，必须设地脚螺栓，螺纹小径 地脚螺栓个数取4的倍数，小直径塔取 6个，圆整后地脚螺栓的公称直径不得 小于M24 （四）群座与塔底封头焊接结构 对接焊缝压应力，轴向载荷较高，一 般用于大型塔，搭接焊缝受剪应力， 一般用于小型塔 1、群座体与塔体对接焊缝 J-J截面的拉应力校核 2、群座体与塔体搭接焊缝 J-J截面的剪应力校核 思考题： 1.自支撑式塔设备设计时需要 考虑哪些载荷？ 2.简述内压塔操作时的危险工 况及强度校合条件。
