7.5塔的强度设计-7.6塔设备的振动

塔设备多数安装在室外，靠裙座底部的地脚螺栓固定在混泥土基础上，通常称为自支承式塔，除承受介质压力外，塔设备还承受各种重量、管道推力、偏心载荷、风载荷及地震载荷的联合作用。由于在正常操作、停工检修、压力实验等三种工况下，塔所受的载荷并不相同，为保证塔设备安全运行，必须校核三种工况下塔的轴线强度和稳定性。轴向强度及稳定性校核的基本步骤为：1）按 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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、地震载荷和偏心载荷等；3）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。7.5塔的强度设计第一页，共33页。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。等直径、等厚度塔的固有周期xyH7.5.1塔的固有周期7.5塔的强度设计第二页，共33页。等直径、等厚度塔的固有周期令上式的解为7.5.1塔的固有周期7.5塔的强度设计第三页，共33页。上式的边界条件为：塔底固定端，塔顶自由端定端，求解方程得塔设备前三个振型时的K值分别为：得塔在前三个振型时的固有周期分别为7.5.1塔的固有周期7.5塔的强度设计等直径、等厚度塔的固有周期第四页，共33页。第一振型0.22H0.5HH0.13H第二振型第三振型等直径、等厚度塔的固有周期7.5.1塔的固有周期7.5塔的强度设计第五页，共33页。不等直径、不等厚度塔的计算（a）多自由度体系（b）折算后的单自由度体系7.5.1塔的固有周期7.5塔的强度设计等直径、等厚度塔的固有周期第六页，共33页。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。多自由度体系的第一振型曲线可近似为抛物线，且最大位移和之间有如下关系:不等直径、不等厚度塔的固有周期7.5.1塔的固有周期7.5塔的强度设计第七页，共33页。对单自由度体系，其固有周期的计算公式为由材料力学，顶端作用单位力时，变截面梁在顶端的位移为：——顶端作用单位力时所产生的位移得不等直径、不等厚度塔第一振型的固有周期为：不等直径、不等厚度塔的固有周期7.5.1塔的固有周期7.5塔的强度设计第八页，共33页。质量载荷包括：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；塔附件质量；水压实验时充水的质量；偏心载荷等。塔设备在正常操作时的质量塔设备在正常操作时的质量塔设备在正常操作时的质量7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计质量载荷第九页，共33页。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：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。7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计偏心载荷风载荷第十页，共33页。（1）风力计算——塔设备中第i计算段所受的水平风力可由下式计算基本风压高度变化系数风压体型系数风振系数塔设备迎风面的有效直径7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计风载荷第十一页，共33页。（2）风弯矩计算——将塔设备分成若干段，则水平风力在第I段塔底截面I-I处的弯矩为7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计风载荷第十二页，共33页。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。（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。7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计地震载荷第十三页，共33页。——综合影响系数，取=0.5——集中于单质点的质量，kg——地震影响系数，根据场地土的特性周期及塔自振周期由图7-76确定对于图7-76的曲线部分，地震影响系数按下式计算。若自振周期>3s，则以3s计算，但其值不得小于0.2——特性周期，按场地的类型及震区类型由 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 7-9确定；——地震影响系数的最大值，见表7-10。7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计地震载荷第十四页，共33页。单质点体系的地震力地震影响系数值7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计地震载荷第十五页，共33页。多质点体系的垂直地震力多单质点体系的地震力7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计地震载荷多质点体系的垂直地震力第十六页，共33页。多质点体系——可将多质点体系的计算转换成多个单质点体系相迭加。引入振型参考系数多自由度体系的第一振型曲线可近似为抛物线，且最大位移之间有如下关系可得相应于第一振型的振型参考系数7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计地震载荷第十七页，共33页。因而，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——对应于塔器基本固有周期的地震影响系数值；——第k段塔节的集中质量离地面的距离，m；——第k段塔节的集中质量，kg。7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计地震载荷第十八页，共33页。——对应于塔器基本固有周期的地震影响系数值；——塔设备的当量质量；——塔设备操作时的质量，kg。b.垂直地震力在地震烈度为8度或9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7-78，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任意质点i处垂直地震力为7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计地震载荷第十九页，共33页。（2）地震弯矩在水平地震力的作用下，在塔设备的任意计算截面I-I处，基本振型的地震弯矩为对于等直径、等壁厚的塔，质量沿塔高是均匀分布的，基本振型在I-I截面处产生的地震弯矩为——任意截面I-I处基本振型的地震弯矩，N.m当h=0，即塔设备底部截面0-0处，由基本振型产生的地震弯矩为7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计地震载荷第二十页，共33页。当H/D>15或塔设备高度大于等于20m时，还必须考虑振型的影响。一种简化的近似算法是按第一振型的计算结果估算地震弯矩。确定最大弯矩时，偏保守地假设风弯矩、地震弯矩和偏心弯矩同时出现，且出现在塔设备的同一方向。但考虑到最大风速和最高地震级别同时出现的可能性很小，在正常或停工检修时，取计算截面处的最大弯矩为水压实验时，取最大弯矩为：最大弯矩7.5.2塔的载荷分析7.5塔的强度设计地震载荷第二十一页，共33页。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、最大弯矩引起的筒体轴向应力，再确定最大拉伸应力，并进行强度和稳定性校核。（1）内压或外压在筒体上引起的轴向应力（2）重力及垂直地震力在筒体上引起的轴向压应力筒体轴向应力7.5.3筒体的强度和稳定性校核7.5塔的强度设计第二十二页，共33页。筒体轴向应力（3）最大弯矩在筒体上引起的轴向——计算截面I-I处的最大弯矩，N.m——计算截面I-I处的抗弯截面模量，7.5.3筒体的强度和稳定性校核7.5塔的强度设计第二十三页，共33页。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系数K，并取K=1.2在正常操作和停工检修工况下，轴向拉伸应力用限制。轴向压缩应力用和KB中的较小值限制。B为许用轴向压缩应力。在压力实验工况下，轴向拉伸应力用（液压实验）或限制（气压实验）。轴向压缩应力用和KB中的较小值限制。轴向应力校核条件7.5.3筒体的强度和稳定性校核7.5塔的强度设计第二十四页，共33页。裙座筒体裙座筒体受到重量和各种弯矩的作用，但不承受压力。重量和弯矩在裙座底部截面处最大，因而底部为危险截面。此外，裙座上的检查孔活人孔、管线引出孔有承载削弱作用，这些孔的中心截面处也是裙座的危险截面（1）基础环应力分布裙座基础环引起的应力引起的应力和共同引起的应力7.5.4裙座的强度和稳定性校核7.5塔的强度设计第二十五页，共33页。由弯矩引起的最大应力位于梁根部的上下表面，其值应小于基础环才来的许用应力，即a.无筋板基础环（2）基础环厚度因此基础环厚度为7.5.4裙座的强度和稳定性校核7.5塔的强度设计第二十六页，共33页。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。b.有筋板基础环（1）搭接焊缝：焊缝承受设备重量及弯矩产生的切应力，受力较差，但安装方便。地脚螺栓裙座与塔体连接焊缝（2）对接焊缝：主要校核在弯矩及重力作用下迎风侧焊缝的拉应力。7.5.4裙座的强度和稳定性校核7.5塔的强度设计第二十七页，共33页。随着大型化工企业的兴起与发展，高度与直径比大的塔器数量逐渐增多，塔振动的事故便频繁发生。1994年6月下旬，天津十四万吨乙烯 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中的高75米、重115吨的乙烯精馏塔，每逢刮四级风时，在与风垂直的方向上，便剧烈地摇晃起来，塔顶振幅为半米多，并伴随着很大的响声。据不完全的调查，近十年来，我国吉林、山东、盘锦、兰州等地的化工厂中都曾发生大型精馏塔振动的事故，塔顶振幅最大的一次是1.4米！由于各个塔的固有频率不同，振动时的风力，有的高达八级，有的仅三、四级。持续的剧烈振动不仅无法维持生产的正常运行，还将使塔体应力过大，形成疲劳裂纹，甚至导致设备的破坏，人员的伤亡，生产的停顿。如果遇到更大的风力，发生高振型的振动，危害性就更大了。7.6.1风的诱导振动7.6塔设备的振动第二十八页，共33页。诱导振动的流体力学原理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。一种是顺风向的振动，振动的风向与风的流向一致；另一种是横风向的振动，振动的方向与风的方向垂直，也称风的诱发振动。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，这就是通常所说的卡曼旋涡（见图1）。当旋涡的频率等于或接近塔设备固有频率，便会产生共振，这便是风诱发的振动。7.6.1风的诱导振动7.6塔设备的振动第二十九页，共33页。安装在室外的圆柱形设备一般同时存在顺风向和横风向振动，而横风向风振往往不容忽视，甚至可能占到主导地位，比如：1972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853米的大悬桥，在19米/秒的风速下，只经历1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、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，还会发生翁鸣声，就像用力拨动琴弦一般。不仅风可能诱发高耸的塔设备发生振动，流体也可能诱发管束的振动。电场的空气预热器中有许多传热管，当热的废气在管外流过形成的旋涡的频率等于空腔内的声频，便会引起声共振。散发的噪声最高的 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 是169分贝，比喷气式飞机发出的噪声还要大，远远超过人耳正常情况下承受的能力。卡曼旋涡7.6.1风的诱导振动7.6塔设备的振动诱导振动的流体力学原理第三十页，共33页。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及风速有关：——斯特劳哈尔数，其值与雷诺数Re有关。——塔体的外直径，如塔体有保温层，则为保温层的外直径塔设备风诱导振动的激振频率7.6.1风的诱导振动7.6塔设备的振动第三十一页，共33页。作用在塔体上的升力是交变的，因为升力的频率与旋涡脱落的频率相同，所以当旋涡脱落的频率与任一振型的固有频率一致时，塔就会产生共振。塔产生共振时的风速称为临界风速。——塔在第n振型下共振时的临界风速，m/s。——塔在第n振型时的固有频率，1/s。临界风速7.6.1风的诱导振动7.6塔设备的振动第三十二页，共33页。增大塔的固有频率塔在操作时的激振力的频率不得在塔体第一振型固有频率的0.85-1.3倍范围内。采用扰流装置增大塔的阻尼(a)轴向翅片   (b)螺旋形翅片图2.扰流器示意图7.6.1塔设备的防振7.6塔设备的振动第三十三页，共33页。