8.塔强度设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 塔设备,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,8.塔强度设计,2,、筛板塔,确定塔板数和塔板效率,选取塔板间距和塔高,计算塔径,机械设计,结构设计,塔盘布置与验算,六项内容中的前四项属于工艺设计,2,裙座最低截面,裙座筒体与基础环的连接处；,裙座人孔截面；,塔体最低截面,塔体与裙座的连接处；,塔体与裙座的焊缝截面。,机械设计内容,1,、按设计条件初定塔体壁厚；,2,、计算塔在危险截面的总载荷；,3,、同时考虑总载荷与操作压力校核塔体壁厚及塔的稳定性；,4,、设计裙座、确定地脚螺栓的规格及数量。,塔设备的主要危险截面,本节主要讲载荷分析、塔体和裙座的强度及稳定性校核、塔设备的振动,3,8.1.1,塔的固有周期,8.1.2,塔的载荷分析,5,质量载荷,塔设备在正常操作时的质量,m,o,=m,o1,+m,o2,+m,o3,+m,o4,+m,o5,+m,a,+m,e,塔设备在水压试验时的质量（此时最大）,m,max,=m,o1,+m,o2,+m,o3,+m,o4,+m,w,+m,a,+m,e,塔设备在停车检修时的质量（此时最小）,m,min,=m,o1,+0.2m,o2,+m,o3,+m,o4,+m,a,+m,e,(,注：书上,m,min,式中无,m,e,不对）,6,式中：,m,o1,塔体和裙座的质量；,m,o2,塔内件（如塔盘、填料等）的质量；,m,03,保温材料的质量；,m,o4,操作平台和扶梯的质量；,m,o5,操作时塔内物料的质量；,m,a,塔附件（如人孔、接管、法兰等）的质量；,m,e,偏心构件（如吊柱再沸器、冷凝器等）的质量；,m,w,水压试验时，塔内充水的质量；,0.2,折算系数，检修时有些内件,(,如塔板、填料等,),拿掉,偏心弯矩,M,e,=m,e,ge,式中：,g,、,e,依次为重力加速度和偏心距（偏心构件的重心至塔中心线的距离。,7,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多个自由度的体系，则它就有多个固有频率，最低的称为基本固有频率或基本频率。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固有周期或基本周期。,1,塔的固有周期,8,大家学习辛苦了，还是要坚持,继续保持安静,9,等直径、等厚度塔的固有周期,10,T,1,的求法：,等直径、等壁厚塔器的基本自震周期：,11,不等直径、不等厚度塔的固有周期,12,处理成多个塔节组成，将每个塔节化为质量集中于其重心的质点，并采用质量折算法计算第一振型的固有周期。,质量折算法的基本思想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。,不等直径、不等厚度塔的固有周期,13,T,1,的求法：,不等直径或不等壁厚塔器的基本自震周期：,14,1,、地震载荷（参见,JB4710,）,地震起源于地壳深处，地震波传到地面时，会使塔设备发生振动。,地震载荷可以分解为三个平动分量和三个转动分量。转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。垂直方向较小，一般只有在地震烈度为,8,度或,9,度地区的塔设备才考虑纵向振动的影响。,15,震级,地震烈度,基本烈度,地震规模的大小，由地震能量决定，能量越大、震级就越大。,发生地震时，地区的危害程度、震级越大、该地区距地震中心的距离（震中距）越小、地质条件越有利于地震波的传播，地震烈度就越大。,某地区在今后一定时期内，可能遭遇到的最大地震烈度。基本烈度分为,12,个等级，,12,度最高，然后依次降低。当基本烈度在,7,度及以上时，就应考虑水平地震分量对塔设备的影响，当达到,8,度及以上时，应同时考虑水平和垂直地震分量对塔设备的影响。,设计烈度,抗震设计时采用的地震烈度，根据基本烈度和设备重要性等确定，设计烈度不小于基本烈度。,16,（,1,）地震力计算,a.,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。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。,塔底刚性固定；,沿塔高分布多个质点（,m,1,m,n,），各质点分别代表直径和壁厚相等的一段塔（均质段）的质量（质心位置）；,弹性体系；,水平地震力自塔底向上传递，各质点产生惯性力；,m,k,是第,k,段塔（均质段）的质量，,m,k,位于计算截面,之上。,模型特征,17,第,k,段塔节重心处（,k,质点处）产生的相当于第一振型（基本振型）的水平地震力为,F,k1,=,1,k1,m,k,g,式中：,F,k1,任意一个质点,m,k,的水平地震力，,N,1,相应于设备第一自振周期,T,1,的地震影响系数，根据,T,1,和塔安装地的地质情况由下图确定：,18,k1,相应于设备第一自振周期,T,1,的质点,m,k,的振型系数：,式中：,h,k,第,k,段塔的集中质量,m,k,（质心）离地面的距离，（见图,8-5,，,m,k,位于计算截面,之上），,m,m,i,第,i,段塔在操作时的集中质量，,kg;,h,i,m,i,（质心）离地面的距离，,m,19,对于直径、等壁厚的塔，质量沿塔高是均布的，,m,k,的振型系数为：,式中：,H,塔的总高度，,m,m,k,kg;,g,重力加速度，取,g=9.81m/s,2,。,20,21,塔底截面,0,0,的垂直地震力为：,b.,垂直地震力,F,v,0,0,=,vmax,m,eq,g,式中：,vmax,垂直地震影响系数的最大值，,vmax,=0.65,1max,;,m,eq,塔设备的当量质量，,m,eq,=0.75m,0,;,m,0,塔设备在操作时的集中质量，,kg,22,塔在任意质点,i,处的垂直地震力为：,（,2,）地震弯矩,水平地震力对塔构成弯矩（质量沿塔高非均布的塔设备）：,23,对于等直径、等壁厚、即质量沿塔高均布的塔设备（常见）：,式中：,塔设备任意计算截面的地震弯矩，,Nm,；,塔设备底部截面的地震弯矩，,Nm,；,h,计算截面,距塔底的距离，,m;,m,塔设备在操作时的总重量，,kg.,24,以上计算是按塔的第一振型（一阶共振）进行的，当,H/D15,或,H20m,时，还必须计算高阶振型的地震力和地震弯矩，为使问题简单化，可按下式考虑各振型的地震弯矩：,25,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）及垂直于风向的诱导振动（横向振动）。强度及失稳、效率降低。,风载荷是随机载荷，对于顺风向风力，可视为两部分组成：平均风力（静载荷）与脉动风力（动载荷）。,通常将动载荷折算成静载荷，由于动载荷会引起塔设备的振动，因此折算系数称为风振系数。,2,、风载荷（风力）,26,2,、风载荷（风力）,塔设备的主要危险截面位于塔的不同高度，在不同高度处的风力不同，应分别计算（分段计算），见右图中的,l,1,l,n,段。,图中,q,1,q,n,为各段风力的均布载荷（风压），,P,1,P,n,为各段风力的集中载荷。,27,（,2,）风载计算（参见,JB4710,）,P,i,=k,1,k,2i,q,i,l,i,D,ei,式中：,P,i,塔设备中第,i,计算段所受的水平风力，,N,；,k,i,塔的体型系数，塔为细长圆柱体，可取,k,1,=0.7;,k,2i,塔设备中第,i,计算段的风振系数；,q,i,塔设备中第,i,计算段的风压，,Pa,；,l,i,塔设备中第,i,计算段的高度，,m,，见图,7,74,；,D,ei,塔设备中第,i,计算段的迎风面的有效直径，,m,。,28,a.,风压,q,i,若塔高,H10m,，以塔顶风压作为整个塔的风压；,若,H10m,，应从塔底每,10m,分为一段，按下式分段计算风压；,q,i,=f,i,q,o,式中：,q,o,基本风压，,Pa,；,f,i,风压随高度变化的系数。,29,基本风压,q,o,(q,o,可直接查表,),式中：,空气密度，,kg/m,3,，随当地的高度和湿度而异，中国设计规范规定：各地均取一个大气压、,10,时的干空气密度，即,=1.25kg/m,3,；,v,o,基本风速，,m/s,，随当地季节和离地面的高度而异，中国设计规范规定：取当地,30,年一遇、离地面,10m,高处、以,10min,为时距所得的最大风速的平均值。,30,风压随高度变化的系数,f,i,（,f,i,可直接查表）,地表通常是凸凹不平的，当风刮过时，不平的地表对风速、风压产生阻碍作用，使其产生梯度。研究表明：在一定高度内，高度越大，风速、风压就越小，风速、风压随高度变化呈指数关系。,注：风压不是气压，地表处空气密度大，气压也大，而风压（均布载荷）却小。,31,32,33,b.,风振系数,k,2i,脉动风力的大小会影响塔振幅（摇晃度）的大小，脉动风力越大，振幅也越大，振动周期也越长；,塔在迎风的振动行程内，会使脉动风力相对增大，振幅越大即振动周期越长，脉动风力增大得也越多。,若塔高,H20m,，取,k,2i,=1.70,若塔高,H20m,，按下式计算：,式中：,脉动风力的增大系数，与风压和振动周期有关，见表,7-6,；,v,i,塔设备中第,i,计算段的脉动风力的影响系数，与地表粗糙度 和第,i,段所在高度有关，见表,7,7,；,Zi,塔设备第,i,计算段的振型系数，与第,i,段所在高度相对塔的高度和塔顶直径相对塔底直径有关，见表,7,8,。,34,35,36,c.,塔设备中第,i,计算段的迎风面的有效直径,D,ei,塔设备承受风力的宽度不仅是塔径，还包括保温层、扶梯、操作平台、外接管道、管道保温层等。塔体保温层和操作平台总是相对塔体中轴线对称的，而扶梯和外接管道（及其保温层）却不对称，但是不外乎以下三种情形：,37,38,当笼式扶梯与塔顶管道布置成,180,时：,D,ei,=D,oi,+2,si,+k,3,+k,4,+d,0,+2,ps,式中：,当笼式扶梯与塔顶管道布置成,90,时，,D,ei,取以下两式中的较大值：,D,ei,=D,oi,+2,si,+k,3,+k,4,D,ei,=D,oi,+2,si,+k,4,+d,0,+2,ps,D,oi,塔设备中第,i,计算段的外径，,m;,si,塔设备中第,i,计算段的保温层厚度，,m,d,0,塔顶管线的外径，,m;,ps,塔顶管线的保温层厚度，,m;,k,3,笼式扶梯的当量宽度，无确定数据时，取,k,3,=0.40m;,39,k,4,操作平台的当量宽度，,m,：,A,第,i,段内操作平台构件在风力方向的投影面积（不计空挡的投影面积），,m,2,；,h,0,第,i,段内操作平台的高度，,m,系数,2,操作平台在迎风侧半周和背风侧半周均能产生投影面积,A,。,注：,k,4,是投影宽度的当量尺寸。,式中：,h,0,l,i,40,（,2,）风力弯矩的计算,41,（,2,）风力弯矩的计算,参照图,8-8,，分别计算各段的底部截面（危险截面）的风力弯矩：,第一段底部截面（塔底）：,第二段底部截面：,第三段底部截面：,以此类推，算出各危险截面的风力弯矩。,可见下段对上段不起作用，弯矩是本段和上部各段的累计）,42,3,、偏心弯矩,M,e,=m,e,ge,式中：,g,、,e,依次为重力加速度和偏心距（偏心构件的重心至塔中心线的距离。,43,最大弯矩是偏心弯矩,M,e,、风力弯矩,M,w,和地震弯矩,M,E,的综合。若假设,M,e,、,M,w,和,M,E,同时出现、且出现在塔的同一方向，则偏于保守，因为风速最大时未必发生地震，或震级未必最高。另外，水压试验时间较短，一般遇不到地震。为此，最大弯矩,M,max,按下列方法计算：,操作或停车时：,M,max,=max M,w,+M,e,M,E,+0.25M,w,+M,e,水压试验时：,M,max,=0.3M,w,+M,e,塔设备的最大弯矩,44,各种载荷引起的轴向应力,（,1,）内压或外压引起的轴向拉或压应力,（,2,）重力及垂直地震力引起的轴向压应力,（最大弯矩中无地震弯矩时）,（,3,）最大弯矩引起的轴向拉（或压）应力,筒体的强度及稳定性校核,45,3,）稳定性校核,求出的最大组合轴向压应力，并使之等于或小于轴向许用压应力,cr,值。许用轴向压应力按下式求取：,式中,B,按,6.2,节“筒体轴向压应力的验算”求取；,t,材料在设计温度下的许用应力，,MPa,；,K,载荷组合系数，取,K,1.2,。,计算出的最大组合轴向拉应力应满足下式：,4,、塔体拉应力校核,5,塔体最终厚度的确定,按设计压力计算的塔体厚度,S,e,；,按稳定条件验算确定的厚度,S,ei,；,按抗拉强度验算条件确定的厚度,S,ei,；,取上述三者中的最大值，作为塔体的有效厚度。,裙座不受塔的内压或外压所引起的应力，裙座的最大组合拉应力总是小于最大组合压应力，裙座底部截面、人孔截面、管线引出孔截面、裙座与塔体焊接的截面是危险截面。裙座基础环和地脚螺栓的设计计算也属于本部分的内容。,7.5.4,裙座的设计与强度及稳定性校核,（,1,）裙座筒体,首先参照塔体壁厚试取一裙座筒体的有效壁厚,es,，然后校核各危险截面的最大压应力。校核思路及方法基本与塔的筒体相同，例如塔底截面,0,0,：,55,2,0,0,+,3,0,0,min k,t,kB,操作时,2,0,0,+,3,0,0,min 0.9k,s,kB,压力试验时,（,2,）裙座基础环,基础环的外径、内径可按下式选取：,2,0,0,、,3,0,0,的意义及算式参照,2,、,3,，因操作与试压时,M,max,不同，故,3,0,0,也不相同；,其余参数意义同前。,式中：,D,0b,=D,is,+(0.160.40)m,D,ib,=D,is,(0.160.40)m,式中符号意义见下图,56,57,基础环的厚度,a.,基础环应力分布,三个应力图是把基础环表达成整体的圆板，但是下面计算应力时仍以实际的环板。图中,Q=mg,58,b.,无筋板基础环的厚度,b,基础环的最大应力是各种载荷的特定综合，见图,7,81,下图：,P=,bmax,b(1,个单位长度,),P,对梁根部的弯矩为：,将无筋板基础环看作悬臂梁，梁上受均布载荷,bmax,，梁长为，梁宽为,L=1,个单位长度，则梁上的集中力,P,（见图,7,79,）为：,bmax,=,2,0,0,+,3,0,0,（取正常操作和水压试验的较大值）,59,梁根部的上、下表面的弯曲应力为：,如图,7,80,，将基础环看作是承受均布载荷,bmax,的矩形板（,b,l,），两个,b,边由筋板支承（简支），内缘,l,边焊在裙座筒体上（固支），外缘,l,边为自由边。根据平板理论，可算出矩形板的最大弯矩,M,s,。,c.,有筋板基础环的厚度,b,式中：,b,基础环材料的许用应力,60,塔设备只在弯矩（偏心质量、风力、水平地震力）作用下会沿风向倾倒，迎风侧螺栓受拉，北海风侧螺栓不受力。在弯矩和重力的共同作用下，因重力抵消一部分或全部倾倒力矩，故迎风侧螺栓所受拉力减小，甚至拉力为零，背风侧螺栓仍不受力。为安全起见，规定无论塔设备有无倾倒力矩，都要设地脚螺栓。因为地脚螺栓还有防止塔设备水平滑移的作用。,（,3,）地脚螺栓,61,塔设备在下列两种情况下容器倾倒，应分别计算基础环在迎风侧的最大拉应力,B,：,安装情况下、即重量最轻时；,操作情况下再受地震力时,若,B,0,，则塔设备足够稳定，不会倾倒，但为安全起见，仍需设置一定规格及数量的地脚螺栓。,若,B,0,，则塔设备有倾倒危险，必须设置地脚螺栓。假设迎风侧每个螺栓所承受的最大拉力为,T,：,62,式中：,bt,地脚螺栓材料的许用应力；,c,4,腐蚀裕度。,地脚螺栓小径：,式中：,A,b,基础环面积，,n,地脚螺栓个数,63,7.6,塔设备的振动,安装于室外的塔设备，在风力作用下将产生两个方向的振动，一是顺风向水平振动，二是横风向水平振动（又称为诱导振动）。前者是塔器常规设计的主要内容,以研究计算塔共振时的固有周期（又称为自振周期），和脉动风力（用风振系数将脉动风力折算成稳定风力）为主要内容；后者在晚期的塔器设计中才给予了考虑,以研究计算卡曼涡街、升力、和临界风速等为主要内容。,64,1.,等直径、等壁厚塔的固有周期,T,（,s,）,7.6.1,塔的固有周期,65,式中：,m ,塔在单位高度内的质量，,kg/m,；,H,塔高，,m;,E,塔体材料在设计温度下的弹性模量，,Pa,；,I,塔截面的形心轴惯性矩，,一阶固有周期,二阶固有周期,三阶固有周期,式中：,D,0,、,D,i,依次为塔的外径、内径，,m,66,2.,不等直径或不等壁厚塔的固有周期,T,（,s,）,67,m,i,、,h,i,第,i,段塔的质量（,kg,）及其质心到塔底的高度（,m,）；,H,塔高，,m;,H,i,第,i,段塔的底部截面至塔顶的距离，,m,；,E,i,第,i,段塔的材料在设计温度下的弹性模量，,Pa,；,I,i,第,i,段塔截面的形心轴惯性矩，,m,4,。,一阶固有周期,式中：,68,1.,卡曼涡街,7.6.2,风的诱导振动,当空气以一定速度流经圆柱体时，在其背风面的两侧交替生产旋涡，然后释放（脱离）并形成整齐的旋涡尾流。该现象由匈牙利学者冯,卡曼发现并研究，称为卡曼涡街（或卡曼涡流），见下图：,69,卡曼涡街（分布旋涡的街道）中虚线两侧的旋涡是交替产生、释放和逸散的。当一侧的一个旋涡长大后脱离原来位置而汇入下游气流中时，另一侧的旋涡正在形成并长大；当此旋涡脱离原来位置而汇入下游气流中时，原来的一侧又产生新的旋涡。涡街中两侧旋涡的旋向相反。,70,2,、诱导振动激振力的形成原理,涡街在靠近塔设备某一横断面上，有旋涡的一侧气流阻力较大，气流速度较小，而无旋涡的一侧气流阻力较小，气流速度较大。根据伯努利能量守恒定律，流速较大时气压必然较低。因此，在某一时刻，涡街的某一横断面上，存在一个由高气压侧指向低气压侧的横风向水平推力（书上称为升力）。由于涡街两侧的旋涡是交替产生的，因此推力的方向也是交替变化的，见下图：,71,交替变化的横风向水平推力就是风诱导振动的激振力。,72,3,、诱导振动激振力的大小,激振力由流体力学公式计算：,C,L,升力系数，与雷诺数,R,e,有关，当,R,e,410,5,时，,C,L,=0.2,，一般取,C,L,=0.13,；,空气密度，,kg/m,3,;,风速，,m/s,；,A,塔在风向的投影面积，等于塔径乘以塔高，,m,2,。,式中：,73,4,、诱导振动激振力的频率与周期,S,t,斯特劳哈尔（捷克学者）准数，与雷诺数,R,e,有关，当,R,e,=300210,5,（常见情况）时，,S,t,0.2,；,风速，,m/s,；,D,塔外径，,m,式中：,推荐当,0.85T,1,T 1.3T,1,（,T,1,为塔的一阶固有周期）时，应对塔体采用消振措施：,74,