7.5塔的强度设计7.6塔设备的振动

1、 第七章 塔设备7.1 概述概述7.2 填料塔填料塔7.3 板式塔板式塔7.4 塔设备附件塔设备附件7.5 塔的强度设计塔的强度设计7.6 塔设备的振动塔设备的振动轴向强度及稳定性校核的轴向强度及稳定性校核的基本步骤基本步骤为：为：1） 按设计条件，初步确定塔的厚度和其他尺寸；按设计条件，初步确定塔的厚度和其他尺寸；2）计算塔设备危险截面的载荷，包括重量、风载荷、地震载荷和偏）计算塔设备危险截面的载荷，包括重量、风载荷、地震载荷和偏心载荷等；心载荷等；3）危险截面的轴向强度和稳定性校核；）危险截面的轴向强度和稳定性校核；4）设计计算裙座、基础环板、地脚螺栓等。）设计计算裙座、基础环板、地脚螺栓

2、等。7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计在不考虑操作平台及外部管线的限制作用时，若将塔在不考虑操作平台及外部管线的限制作用时，若将塔设备视为具有设备视为具有多个自由度多个自由度的体系，则它就有多个固有频率，的体系，则它就有多个固有频率，最低的称为最低的称为基本固有频率基本固有频率或基本频率。各质点振动后的变或基本频率。各质点振动后的变形曲线称为振型。与基本固有频率对应的周期称为基本形曲线称为振型。与基本固有频率对应的周期称为基本固固有周期有周期或基本周期。或基本周期。44yeiqxxyh7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计44yeiqx22yqmt 42420ymyxeit()( )(

3、)y x,ty x sint444( )( )0d y xk y xdx7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计00( )( )00 xxdy xy x,dx2323( )( )00 x hx hd y xd y x,dxdx1231 8754 6947 855.k;k;khhh4441231 790 2850 102mhmhmht.;t.;t.eieiei7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计0.22h0.5hh0.13h7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计2hhhnynyam7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计处理成多个塔节组成，将每个塔节化为质量集中于其重心处理成多个塔节组成，

4、将每个塔节化为质量集中于其重心的质点，并采用的质点，并采用质量折算法质量折算法计算第一振型的固有周期。计算第一振型的固有周期。质量折算法的质量折算法的基本思想基本思想是将一个多自由度体系，用一个折是将一个多自由度体系，用一个折算的集中质量来代替，从而将一个多自由度体系简化成一算的集中质量来代替，从而将一个多自由度体系简化成一个单自由度体系。确定集中质量的原则是使两个相互折算个单自由度体系。确定集中质量的原则是使两个相互折算体系在振动时产生的最大动能相等。体系在振动时产生的最大动能相等。32iiahyyhiyay7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计2atm33121113nniiiiiiii

5、hhe iei33311211123nnniiiiiiiiiiiihhhtmhe iei7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计包括：塔体、裙座质量；塔内件质量；保温材包括：塔体、裙座质量；塔内件质量；保温材料质量；操作平台及扶梯质量；操作时物料的质量；塔附料质量；操作平台及扶梯质量；操作时物料的质量；塔附件质量；水压实验时充水的质量；偏心载荷等。件质量；水压实验时充水的质量；偏心载荷等。00102030405aemmmmmmmm01020304maxwaemmmmmmmm010203040 2minamm. mmmm7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计塔体上有时悬挂有再沸器、冷凝器等附属

6、设备或其他附件，因塔体上有时悬挂有再沸器、冷凝器等附属设备或其他附件，因此承受偏心载荷，该载荷产生的弯矩为：此承受偏心载荷，该载荷产生的弯矩为：1eemm ge安装在塔体上有时悬挂有再沸器、冷凝器等附属设备或其他附安装在塔体上有时悬挂有再沸器、冷凝器等附属设备或其他附件，因此承室外的塔设备将受风力的作用。风力除了使塔体产件，因此承室外的塔设备将受风力的作用。风力除了使塔体产生应力和变形外，还可能使塔体产生顺风向的振动（纵向振动）生应力和变形外，还可能使塔体产生顺风向的振动（纵向振动）及垂直于风向的诱导振动（横向振动）。及垂直于风向的诱导振动（横向振动）。强度及失稳、效率降强度及失稳、效率降低。

7、低。7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计120iiiieipk k f q l d20012qv0iiqf q1k21iziiivkf ifeid7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计12121122222iiiiiwiiiiiinniiilllmpplplllplll7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计地震载荷可以分解为地震载荷可以分解为三个平动分量三个平动分量和和三个转动分量三个转动分量。转。转动分量实测数据很少，一般不予考虑。地面水平方向（横动分量实测数据很少，一般不予考虑。地面水平方向（横向）的运动会使设备产生水平方向的振动，危害较大。垂向）的运动会使设备产生水平方向的振动，

8、危害较大。垂直方向较小，一般只有在地震烈度为直方向较小，一般只有在地震烈度为8度或度或9度地区的塔设度地区的塔设备才考虑纵向振动的影响。备才考虑纵向振动的影响。a. 水平地震力水平地震力 所谓地震力是地震时地面运动对于设备的作用力。所谓地震力是地震时地面运动对于设备的作用力。对于底部刚性固定在基础上的塔设备，如将其简化成单质点的弹性对于底部刚性固定在基础上的塔设备，如将其简化成单质点的弹性体系，则地震力即为该设备质量相对于地面运动时的惯性力。体系，则地震力即为该设备质量相对于地面运动时的惯性力。7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计zpfcm gzczcpmmax0 9 .gmaxttgtm

9、ax7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计pmft / smax0 9 .gmaxtt0 45max.3 0 .0 1 .0et7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计0 0vf1mihn nfv2m3mimkmnmi1m2m3mimkmnmiihkhh7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计0 0fv1mihn nfv2m3mimkmnm121nkiiikniiiymymyk32iiahyyh1 51 51131n.kiiikniiihmhmh7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计111kzkkfcm g221abkhkm1tkm7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计0 0vvmaxe

10、qfm gvmax1teqm00 75eqm.m kg0m在地震烈度为在地震烈度为8度或度或9度的地区，塔设备应考虑垂度的地区，塔设备应考虑垂直地震力的作用。一多质点体系见图直地震力的作用。一多质点体系见图7-78，在地面的垂直运动作用下，在地面的垂直运动作用下，塔设备底部截面上的垂直地震力为塔设备底部截面上的垂直地震力为0 01( =1,2,3, )i iiivvnkkkm hffinm h7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计111niiekkkmfhh1iiem3 52 53 5111 5810144175ii.ze.cmgmhhhhh2111635iiezmcmgh7.5 7.5 塔

11、的强度设计塔的强度设计11 25iiiieem.m0 25wemaxewemmmm.mm0 3we. mm7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计对正常操作、停工检修及压力实验等工况，分别计对正常操作、停工检修及压力实验等工况，分别计算各工况下相应压力、重量和垂直地震力、最大弯矩引算各工况下相应压力、重量和垂直地震力、最大弯矩引起的起的筒体轴向应力筒体轴向应力，再确定，再确定最大拉伸应力最大拉伸应力，并进行，并进行强度强度和稳定性校核和稳定性校核。114eipd020 98iiiiviei.mfd27.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计33iiiimaximwiimaxmiw234iieiw

12、d,m7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计由于最大弯矩在筒体中引起的轴向应力沿环向是不断变化的。由于最大弯矩在筒体中引起的轴向应力沿环向是不断变化的。与沿环向均布的轴向应力相比，这种应力对塔强度或稳定失效与沿环向均布的轴向应力相比，这种应力对塔强度或稳定失效的危害要小一些。为此，对许用拉伸和压缩应力引入的危害要小一些。为此，对许用拉伸和压缩应力引入载荷组合载荷组合系数系数k，并取，并取k=1.2 tk tk0 9s. k 0 8s. k 0 9s. k7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计mqqmqm7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计212bmaxmb l 26bbbmmzl 1

13、73bmaxbb.b7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计如迎风侧地脚螺栓承受的应力小于零，则表示塔设备自身稳定而不如迎风侧地脚螺栓承受的应力小于零，则表示塔设备自身稳定而不会倾倒，但为固定，还是应设置一定数量的地脚螺栓。会倾倒，但为固定，还是应设置一定数量的地脚螺栓。 sbbbm7.5 7.5 塔的强度设计塔的强度设计7.6 7.6 塔设备的振动塔设备的振动当风以一定的速度绕流圆柱形的塔设备时，将在两个方向上产生振动。当风以一定的速度绕流圆柱形的塔设备时，将在两个方向上产生振动。一种是一种是，振动的风向与风的流向一致；另一种是横风向的振，振动的风向与风的流向一致；另一种是横风向的振动，振动

14、的方向与风的方向垂直，也称动，振动的方向与风的方向垂直，也称。在一定速度范围内，。在一定速度范围内，风在圆柱形的塔设备背后的两侧周期性交替地形成旋涡并以相当确定的频风在圆柱形的塔设备背后的两侧周期性交替地形成旋涡并以相当确定的频率从柱体表面上脱落，在尾流中有规律地交错排列成两行，这就是通常所率从柱体表面上脱落，在尾流中有规律地交错排列成两行，这就是通常所说的说的（见图（见图1 1）。当旋涡的频率等于或接近塔设备固有频率，便会）。当旋涡的频率等于或接近塔设备固有频率，便会产生产生，这便是风诱发的振动。，这便是风诱发的振动。 7.6 7.6 塔设备的振动塔设备的振动19721972年上海一座高烟囱

15、在台风中实测横风向位移比年上海一座高烟囱在台风中实测横风向位移比顺风向大得多。历史上曾因风诱发振动而造成灾难性的事故。位于美国塔珂玛海峡上跨长顺风向大得多。历史上曾因风诱发振动而造成灾难性的事故。位于美国塔珂玛海峡上跨长853853米的大悬桥，在米的大悬桥，在1919米米/ /秒的风速下，只经历秒的风速下，只经历1 1小时，便断裂坠毁。从五十年代至今，美、小时，便断裂坠毁。从五十年代至今，美、英、日、德、加、荷、捷等国都曾相继发生高耸的圆柱形设备，如塔设备、烟囱、电视塔、英、日、德、加、荷、捷等国都曾相继发生高耸的圆柱形设备，如塔设备、烟囱、电视塔、灯柱等剧烈振动甚至破坏的事例。在大海中，障碍

16、物在共振时受到的侧向力比空气中的要灯柱等剧烈振动甚至破坏的事例。在大海中，障碍物在共振时受到的侧向力比空气中的要大得多。正因如此，位于美国新泽西洲的一座近海石油钻井平台葬入大海。从潜艇潜望镜大得多。正因如此，位于美国新泽西洲的一座近海石油钻井平台葬入大海。从潜艇潜望镜里看到的目标也将因镜杆的振动变得模糊不清。从卫星拍摄的照片上还曾看到海水流经小里看到的目标也将因镜杆的振动变得模糊不清。从卫星拍摄的照片上还曾看到海水流经小岛时产生的卡门旋涡。架空电线的固有频率如果与卡门旋涡的频率一致，不仅发生抖动，岛时产生的卡门旋涡。架空电线的固有频率如果与卡门旋涡的频率一致，不仅发生抖动，还会发生翁鸣声，就像用力拨动琴弦一般。还会发生翁鸣声，就像用力拨动琴弦一般。7.6 7.6 塔设备的振动塔设备的振动vvfsrd在塔的一侧，卡曼旋涡是以一定的频率产生并从圆柱形塔体表面在塔的一侧，卡曼旋涡是以一定的频率产生并从圆柱形塔体表面脱落的，该频率即为塔一侧横向力脱落的，该频率即为塔一侧横向力 作用的频率或塔体的激振频作用的频率或塔体的激振频率，研究表明，对于单个圆柱体，其旋涡脱落的频率与圆柱体的直径率，研究表明，对于单个圆柱体，其旋涡脱落的频率与圆柱体的直径及风速有关：及风速有关：lfsrd7.6 7