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第八章　
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
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。
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；
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+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4-26。
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-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，
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；
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，
（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）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/D>15，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，
㈢ 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
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
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
+
-
+
-
+
-
+
-
smax
s1-s2+s3
-（s2+s3）
-（s1+s2+s3）
-s2+s3
（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：
② 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
① 最大组合轴向压应力，出现在正常操作时的背风侧，即：
② 最大组合轴向拉应力，出现在停修时的迎风侧，即：
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。
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
≤K[s]tf
轴向最大压应力smax
≤K[s]t
≤K0.06Et ei/Ri
K为载荷组合系数，取K=1.2。
表4-34 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
① 环向拉应力的验算在第十五章
② 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。
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
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
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
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。

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