第十七章塔设备强度设计计算

i 1
a1-对应与塔基本自振周期T1的地震影响系数a值。
（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：F00 a maxmeq g
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：
迎风 背风 迎风 背风 迎风 背风
1
+
0
-
停修
迎风
背 风
0
应力 状态
2
-
-
-
3 + - +
-
+
-
ma 1-2+3 -（2+3） -（1+2+3） x
-
+
-
-2+3
（1） 内压操作的塔设备
① 最大组合轴向拉应力，出现在
正常操作时的迎风侧，即：
max
1
ii 2
ii 3
② 最大组合轴向压应力，出现在
停修时的背风侧，即：
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。
群座体 （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δs 验算危险截面的应力，群座体底截面
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 FK1 Cza1hK1mK g
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；
n
h1.5 K
mi
h1.5 i
hK1-基本振型参与系数， hK1
i 1
n
mi hi3
3. 水压试验时应力校核
(1) 关于拉应力
① 环向拉应力的验算在第十五章 ② 最大组合轴向拉应力
max
pi Di
4 ei
gmmiaix
Di ei
0.3M
ii w
Me
0.785Di2 ei
0.9K s
(2) 设备充水（未加压）后最大质量和最
大弯矩在壳体中引起的组合轴向压应力
max
gmmiaix
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
㈠ 按设计压力计算筒体及封 头壁厚
按第十五章"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。
值。求出风载荷Pi
Pi K1K 2i q0 fi Li Dei 106
任意截面的风弯矩：
M ii w
Pi
Li 2
Pi
1
Li
Li1 2
Pi
2
Li
Li1
Li2 2
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。
风速随地面高度而变化。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4-27。
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 K1K 2i q0 fi Li Dei 106
Pi-水平风力； q0-基本风压值，见表4-26，但 均不应小于250N/ｍ2； fi-风压高度变化系数，表4-27 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，
应力
1
pc Di
4 ei
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）
2
mii 0
g
F ii v
Di ei
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：
M ii max
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； 设备操作时质量：
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
M0=m1+m2+m3 +m4+m5+ma+me
设备最大质量 （水压试验时）：
Fii
mi hi
n
F00 i 1,2,, n
mk hk
k 1
（3）地震弯矩
任意截面i-i基本振型地震弯矩：
n
M ii Ei
FK1 hK h
i 1
M 00 Ei
16 35
Cza1m0 gH
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：
M ii Ei
8Cza1m0 g
175H 2.5
10H 3.5 14H 2.5h 4h3.5
H/D>15，或高度大于等
于20m时，考虑高振型
M ii E
1.25M
ii Ei
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，
M e me ge
㈢ 圆筒的应力
1．塔设备由内压或外压引起的轴向
和人孔截面
组合应力满足条件后，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
（2）基础环板上有筋板
基础环板厚度不 小于16mm
Ms—计算力矩，按表4-35计 算Mx和My，取绝对值较大
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。
表4-34 轴向最大应力的校核条件
名称
周向最大拉应 力max
强度校 核
稳定性校核
≤K[]tf
轴向最大压应 力max
≤K[]t ≤K0.06Etei/Ri
K为载荷组合系数，取K=1.2。
Mmax=m1+m2+m3 +m4+mw+ma+me
0.2m2:部分内件焊在塔体 设备最小质量：
空塔吊装，如未装保温层、 mmin =m1+0.2m2
平除台m3和、m扶4。梯等，则mmin应扣
+m3+m4 +ma+me
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。
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，
K2i
1
vif zi
fi
z-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 fzi- 第i段振型系数，根据Hi/H与m查表
4-30；
（2）风弯矩
一般习惯自地面起每 隔10m一段，风压定
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。
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
M M
ii W
ii E
Me
0.25M
ii W
Me
(取大值)
水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
M ii max
0.3M
ii W
Me
最大弯矩在筒体中引起轴向应力
3
4M
ii max
Di2 ei
㈣ 筒体壁厚效核
１．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
max
(
ii 2Βιβλιοθήκη ii 3)（2） 外压操作的塔设备
① 最大组合轴向压应力，出现 在正常操作时的背风侧，即：
max
( 1
ii 2
ii 3
)
② 最大组合轴向拉应力，出现在 停修时的迎风侧，即：
max
ii 2
ii 3
2. 强度与稳定性校核
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4-34。
（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
σB≤0塔自身稳定，固定位置加螺栓 σB>0，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
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
➢内压塔，周向及轴向拉应力； ➢外压塔，周向及轴向压应力。 ➢操作压力对裙座不起作用。
２． 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；
Di ei
0.3M
ii w
Me
0.785Di2 ei
0.00.69KKEsRe1i
(取小值)
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3i-i发生在截面2-2上。 裙座，3i-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：
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4-26。