塔体及裙座的强度计算.doc

学习资料收集于网络，仅供参考3.1塔体及裙座的强度计算3.1.1适用范围本章计算适用于高度大于10m，且高度与直径之比大于5的裙座自支承式钢制塔设备。塔设备的设计压力可以是内压或外压。3.1.2引用标准JB 4710-92“钢制塔式容器”、GB150-98“钢制压力容器”。3.1.3设计计算条件3.1.3.1塔设备的设计压力及设计温度设计压力系指在相应设计温度下用以确定塔设计壳体厚度的压力，其值不得小于塔设备顶部可能出现的最高压力。设计温度指塔壳体的设计温度，系指塔设备在正常操作情况，并在相应设计压力下，设定的受压元件的金属温度，其值不得低于元件金属可能达到的最高金属温度。裙座设计温度一般取建塔地区室外计算温度(冬季)，见表3-1。3.1.3.2塔设备设计应考虑的载荷 设计压力； 液柱静压； 塔设备自重(包括内件和填料)以及正常操作条件下或试验状态下内容物的重力载荷； 附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯及平台等重力载荷； 风载荷和地震载荷；必要时，应考虑以下载荷的影响： 连接管道和其它部件的影响； 由于热膨胀量不同而引起的作用力； 压力和温度变化的影响； 塔设备在运输或吊装时承受的作用力。上述载荷中部分载荷在本章计算中予以考虑。部分的载荷引起的机械计算应采用其它相应的计算方法。3.1.3.3塔设备壁厚 最小壁厚塔壳圆筒不包括腐蚀裕度的最小厚度，对于碳钢和低合金钢制塔设备为2的塔内径，且不小于4mm；不锈钢制塔设备为3mm；裙座最小壁厚为6mm。 计算厚度指按GB150及JB4710相应公式计算所得的厚度，不包括壁厚附加量。 壁厚附加量、设计厚度、名义厚度及有效厚度详见JB4710第3章中的定义。3.1.3.4材料及其许用应力 受压元件用钢的选用原则、钢材标准、热处理状态及许用应力等均按GB150中的相关规定。表3-1 中国部分地区室外计算温度地 名采 暖冬 季通 风冬季空气调节地 名采 暖冬 季通 风冬季空气调节北京-9-5-12徐州-60-9上海-23-4南京-32-6天津-9-4-11蚌埠-51-8齐齐哈尔-25-19（-20）-29合肥-32-7哈尔滨-26-20-29南昌-1（0）5-3长春-23-17-26赣州280吉林-25-18-28福州5104沈阳-20-13-23郑州-50-8大连-12-5-14信阳-42-7乌鲁木齐-23-15-27武汉-23-5西宁-13-9-15长沙-15-3兰州-11-7-13成都261天水-7-3-10贵阳-15-3济南-7-1-10昆明3（4）81青岛-7-3-9拉萨-62-8注： 本表摘自TJ19-75工业企业采暖通风和空气调节设计规范（试行），表中带数字系暖通空调气象资料集(增编稿)中的数据。 采暖室外计算温度为历年平均不保证5天的日平均温度。 冬季通风室外计算温度为累年最冷月(一月)的平均温度。 冬季空气调节室外计算温度为历年平均不保证一天的日平均温度。 裙座壳体用钢按受压元件用钢要求选取。 非受压元件用钢必须是已列入材料标准的钢材，用于焊接件的钢材，应具有良好的焊接性能。 地脚螺栓一般选用Q235-A或16Mn。Q235-A材料的许用应力取bt=147MPa。16Mn材料的许用应力取bt=170MPa。如采用其它碳素钢或优质碳素结构钢作地脚螺栓，则取安全系数ns1.6。 以碳素钢制作的基础环、盖板及筋板，其许用应力取b=140MPa。3.1.3.5应力评定在强度计算中，根据载荷的类型可分为长期载荷和短期载荷。其产生的应力评定尺度是不同的。具体评定值详见表3-2应力评定表。3.1.4强度及稳定性计算3.1.4.1强度及稳定性计算所用符号说明Di 棗塔壳内径，mm；Dib 棗基础环内径，mm；Dih 棗锥壳任意截面内径，mm；D0 棗塔壳外径，mm；D0b棗基础环外直径，mm；D0s棗裙座壳底部外直径，mm；表3-2 应力评定表状 态载 荷 组 合评 定 值备 注正常操作 设计压力、塔设备重力载荷、塔内液柱压力拉应力：t压应力：crcr=min(B，t)t：设计温度下的许用应力cr设计温度下的许用压应力：焊缝系数s：常温下的屈服点 上述第1条加风载荷或地震载荷拉应力：1.2t压应力：1.2cr试 压 试验压力、塔设备重力载荷、试验介质产生的侧压拉应力：周向：液压0.9s轴向或周向：气压0.8s压应力：cr 上述第1条加30风载荷拉应力：液压：0.9x1.2s气压：0.8x1.2s压应力：1.2crE 棗设计温度下材料的弹性模量，MPa；FvI-I棗塔设备任意计算截面II处的垂直地震力，N；Fv0-0棗塔设备底截面处垂直地震力，N；g棗重力加速度，取g9.81m/s2；H棗塔设备高度，mm；Hi棗塔设备顶部至第i段底截面的距离（见图3-1），mm；h棗计算截面距地面高度（见图3-1），mm；hi棗塔设备第i段集中质量距地面的高度（见图3-1），mm；hk棗任意计算截面II以上集中质量mk距地面的高度（见图3-1），mm；Me棗偏心质量引起的弯矩，N.mm；MEI-I棗任意计算截面II处的地震弯矩，N.mm；ME0-0棗底部截面00处的地震弯矩，N.mm；MmaxI-I棗任意计算截面II处的最大弯矩，N.mm；Mmax00棗底部截面00处的最大弯矩，N.mm；MWI-I棗任意计算截面II处的风弯矩，N.mm；MW0-0棗底部截面00处的风弯矩，N.mm；me棗偏心质量，kg；mi棗塔设备第i段的操作质量，kg；mmax棗塔设备最大质量，kg；mmin棗塔设备最小质量，kg；m0棗塔设备操作质量，kg；m0I-I棗计算截面II以上的操作质量，kg；p棗设计压力，MPa；T1棗塔设备基本自振周期，s；Ti棗塔设备第i阶振型自振周期，s；棗锥壳半顶角，（）；b棗基础环计算厚度，mm；e棗圆筒或锥壳的有效厚度，mm；eh棗封头设定的有效厚度，mm；ei棗各计算截面设定的圆筒或锥壳有效厚度，mm；es棗裙座壳设定的有效厚度，mm；s棗常温下塔壳或裙座壳材料的屈服点，MPa；棗设计温度下塔壳材料的许用应力，MPa；棗设计温度下裙座壳材料的许用应力，MPa；棗设计温度下塔壳或裙座壳材料的许用轴向压应力，MPa；棗焊缝系数；B棗系数，MPa，按如下步骤确定：先计算系数式中 Ri棗圆筒的内半径，mm。再由系数A根据材料牌号确定B值，若A值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计温度下材料线相交（中间温度用内插法）。再过此交点水平右移，即得到B值；若系数A落在设计温度线左方，则按下式计算B值：式中 E棗设计温度下材料的弹性模量，MPa。3.1.4.2计算步骤 按压力确定圆筒及封头的有效厚度e及eh。 根据地震或风载的需要，选取若干计算截面（包括所有危险截面），并考虑制造、运输、安装要求，设定各截面处圆筒的有效厚度与裙座有效厚度。 按3.1.4.3中的规定依次进行校核和计算，并满足各相应要求，否则应重新设定圆筒的有效厚度，直至满足全部校核条件为止。3.1.4.3强度及稳定性计算 塔上主要载荷塔上主要载荷见图3-1所示。 塔设备质量塔设备操作质量m0m0=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me塔设备最大质量mmaxmmax=m01+m02+m03+m04+ma+mw+me塔设备最小质量mminmmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me式中m01棗塔壳和裙座质量，kg；m02棗内件质量，kg；m03棗保温材料质量，kg；m04棗平台、梯子质量，kg；m05棗操作状态下塔内物料质量，kg；ma棗人孔、接管及法兰等附件质量，kg；mw棗液压试验时，塔设备内充液质量，kg。最小质量算式中0.2m02系考虑内件焊在壳上的部分质量；另外应根据吊装方案或实际情况调整其最小质量。 自振周期在地震及风载荷计算中，均要求引用塔设备的基本参数棗自振周期。等径、等厚度塔设备的基本自振周期按下式计算：对于不等径或不等厚度塔设备，可将直径、厚度沿塔高度变化的塔设备视为一个多质点体系，如图3-2所示。其中直径和厚度不变的每段塔设备质量，可处理为一个作用在该段高度1/2处的集中质量，其自振周期按下式计算：，s (3-1)式中Ei、Ei-1棗第i 段、第i1段的材料在设计温度下的弹性模量，MPa；Ii、 Ii-1棗第i 段、第i1段的截面惯性矩，mm4；圆筒段： (3-2)圆锥段： (3-3)式中Die棗大端内径，mm；Dif棗小端内径，mm。 地震载荷计算 水平地震力。在任意高度hk处的集中质量mk引起的基本振型地震水平力按下式计算：FklCz1kl mkg (3-4)式中 Fkl棗集中质量mk引起的基本振型水平地震力，N；Cz棗综合影响系数，Cz0.5；mk棗距地面hk处的集中质量（见图3-3），kg;1棗对应于塔器基本自振周期T1下的地震影响系数值；1值可查图3-4得到，图中曲线部分可按下列公式计算：（Tg/T）0.9max (3-5)值不得小于0.2max；max棗地震影响系数的最大值，见表3-3；kl棗基本振型参与系数；Tg棗各类场地土的特征周期，见表3-4表3-4场地土的特征周期Tg场 地 土近 震远 震场 地 土近 震远 震0.20.250.40.550.30.400.650.85注：场地土分类及近震、远震JB 4710附录B 地震垂直力。设防裂度8度或9度区的塔设备应考虑上下两个方向的垂直地震力作用。如图3-5所示。塔设备底截面处的垂直地震力为：FV0-00.4875max*m0*g (3-7)任意质量mi处垂直地震力按下式计算：(3-8) 地震弯矩。塔设备任意计算截面II的基本振型地震弯矩按下式计算：(3-9)式中ME1棗II处的地震弯矩，Nmm对于等径、等壁厚塔任意截面II和底截面的基本振型弯矩分别为： (3-11)(10) (3-11)当塔设备H/D15，或高度大于20m时，还应考虑高振型的影响；其地震弯矩按JB4710附录计算。也可按下式计算： (3-12) 风载荷对室外安装的塔设备，要承受风载荷(属于短期载荷)，当塔设备的高度与直径之比大于，或高度大于10m时，在其强度和稳定的计算中应考虑风载荷。计算风载荷时，塔设备应按图3-6所示分段进行，每段内的风压值认为是等值，整塔的风载则呈阶梯形分布。 水平风力。第i计算段质量重心处的水平风力为：Pi=K1K2iq0filiDei10-6 (3-13)式中 Pi棗第i段质量重心处的水平风力，N；Dei棗第i段的有效直径，mm；当笼式扶梯与塔顶管布置成180时：Dei=Doi2siK3K4do2ps (3-14)当笼式扶梯与塔顶管布置成90时，取下列两式中大值：Dei=Doi2siK3K4 (3-15)Dei=Doi2siK4do2ps (3-16)式中Doi棗各计算段处的外径，mm；do棗塔顶管线外径，mm；si棗塔设备第i段保温层厚度，mm；ps棗塔顶管线保温层厚度，mm；K3棗笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可 取K3=400mm；K4棗操作平台当量宽度，mm；A棗第i段内平台构件的投影面积(不计空档投影面积)，mm2；l0棗操作平台所在计算段的长度，mm；fi棗风压高度变化系数，查表3-5；K1棗体型系数，取K1=0.7;表3-5 风压高度变化系数fi地面粗造度类别距地面高度 HitABC地面粗造度类别距地面高度 HitABC51.170.800.54502.031.671.36101.381.000.71602.121.771.46151.521.140.84702.201.861.55201.631.250.94802.271.951.64301.801.421.11902.342.021.72401.921.561.241002.402.091.79注： A类地面粗糙度系指近海海面、海岛、湖岸及沙漠地区； B类系指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区；C类系指有密集建筑群的大城市市区。 Hit为塔设备第i段顶截面距地面的高度,m。 若采用当地气象部门资料时，对A类地区高度变化系数fi应取B类地区系数；B类和C类地区不变。K2i棗第i段风振系数,当塔高H20m时，取K2i=1.70，当H20m时，按下式计算：式中棗脉动增大系数，按表3-6查取；i棗第i段脉动影响系数，按表3-7查取；zi棗第i段振型系数，根据hit/H与u查表3-8；q0棗基本风压值，详见表3-9“全国部分城市基本风压表”或按当地气象资料，但不得小于250N/m2。表3-6脉动增大系数q1T12(Ns2/m2)10204060801001.471.571.691.771.831.88q1T12(Ns2/m2)200400600800100020002.042.242.362.462.532.80q1T12(Ns2/m2)4000600080001000020000300003.093.283.423.543.914.14注：计算q1T12时，对B类q1q0，对A类q11.38q0，对C类q10.71q0。表3-7 脉动影响系数i高度hit m粗造度类别1020406080100A0.780.830.870.890.890.89B0.720.790.850.880.890.90C0.660.740.820.860.880.89表3-8 振型系数ziu相对高度hit/H10.80.6u相对高度hit/H10.80.60.10.20.30.40.50.020.070.150.240.350.020.060.120.210.320.010.050.110.190.290.60.70.80.91.00.480.600.730.871.000.440.570.710.861.000.410.550.690.851.00表3-9全国部分城市基本风压表 N/m2 城市名称风压值城市名称风压值城市名称风压值城市名称风压值北京350运城400青岛550桂林350天津400呼和浩特500烟台550百色400上海550包头600潍坊400海口700重庆300满洲里700德州450三亚700哈尔滨450南京350郑州400成都250齐齐哈尔450镇江350安阳350泸州300佳木斯550苏州400洛阳350广元350牡丹江450连云港400许昌400西昌400吉林450南通400三门峡350贵阳300长春550杭州400南阳350遵义300四平550宁波500武汉300昆明250延吉500嵊泗1100襄樊300丽江300沈阳500衢州400黄石300大理600大连600温州550长沙350西安350抚顺450合肥300岳阳400宝鸡300鞍山450淮南300湘潭350榆林500本溪400蚌埠350衡阳350汉中350阜新550马鞍山400常德350兰州300锦州550安庆350广州450嘉峪关650营口550福州600汕头750敦煌400石家庄300厦门750韶关350西宁350张家口450漳州500深圳700格尔木550承德350泉州600茂名600银川650保定400南昌400湛江700乌鲁木齐600沧州400景德镇300肇庆450克拉玛依800邯郸350赣州300南宁350喀什650太原300九江350北海700香港700大同400济南350钦州600澳门700注：本表摘自JB741092钢制塔式容器全国基本风压分布图，如需表中未列地区的基本风压值请查该图。 风弯矩。塔设备任意截面II处的弯矩为： (3-17)底截面00处的风弯矩为：（3-18） 偏心弯矩偏心质量引起的偏心弯矩按下式计算： Me=mege （3-19）式中 e 棗偏心质量质心距塔设备中心线的距离，m。 最大弯矩塔设备任意截面II处的最大弯矩按下式计算取其中较大值 （3-20）塔设备底截面00处的最大弯矩为：取其中较大值 （3-21） 塔设备圆筒体轴向应力校核1. 圆筒体任意计算截面II的几项应力 内压或外压引起的轴向应力(3-22)塔设备质量及垂直地震力引起的轴向应力(3-23)弯矩引起的轴向应力(3-24)2. 塔设备筒体最大组合压应力按下式进行轴向稳定性校核 对内压塔设备 231.2cr (3-25)对外压塔设备1231.2cr(3-26)式中许用应力 取其中较小值 (3-27)3. 塔设备轴向拉应力校核 对内压塔设备 1231.2t (3-28)对外压塔设备 231.2t (3-29)若校核计算不满足上述几式，则应重新设定有效厚度ei；重复本节的计算，直至满足要求为止。 塔体锥壳轴向应力若塔体计算段为锥壳，其各应力分量应除以cos，为半锥角，见图3-7所示。锥壳最大组合压应力按公式(3-25)和公式(3-26)计算及评定；锥壳最大组合拉应力按公式(3-28)和(3-29)计算及评定。轴向许用压应力 ，取其中较小值求B值时，半径Ri应为锥壳小端半径ri，见图3-7所示。轴向许用拉应力同圆筒的轴向许用拉应力。 裙座轴向应力校核1. 在裙座底截面处的组合应力校核 ，取小值 (3-30)2. 液压试验时组合应力校核 ，取小值 (3-31)公式(3-30)中，Fv仅在为地震弯矩时计入。上两式中Asb棗裙座底截面面积，mm2；Asb=Dises （3-32）Zsb棗裙座底截面的截面系数，mm3；Zsb=D2ises/(4cos) (3-33)Dis棗裙座壳底部内径，mm。3. 裙座检查孔或较大管线引出孔处截面h-h(见图3-6，图3-8)组合应力校核 ，取小值(3-34)，取小值 (3-35)上两式中Asm棗h-h截面处的裙座截面积，mm；(3-36)Zsm棗h-h截面处的裙座截面系数，mm；(3-37)(3-3