塔设备强度设计计算
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一、塔体的强度计算
安装在室外的高度与直径比（H/D）较大的塔设备，除承受操作压力外，还要承受质量载荷、风载荷、地震载荷和偏心载荷等，见塔设备各种载荷示意图。
因此，在进行塔设备设计时必须根据受载情况进行强度计算与校核。
㈠按设计压力计算筒体及封头壁厚
按本篇第十五章"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
当塔为内压时，在塔壁上引起周向及轴向拉应力；当塔为外压时，在塔壁上引起周向及轴向压应力。
操作压力对裙座不起作用。
２．质量载荷
塔设备的质量包括塔体、裙座体、内构件、保温材料、扶梯和平台及各种附件等的质量，还包括在操作、停修或水压试验等不同工况时的物料或充水质量。
设备操作时的质量
m0=m1+m2+m3+m4+m5+ma+me （4-42）
设备的最大质量（水压试验时）
mmax =m1+m2+m3+m4+mw+ma+me （4-43）
设备最小质量 mmin =m1+0.2m2+m3+m4+ma+me （4-44）
式中：
m1:塔体和裙座质量，Kg；
m2:内件质量，Kg；
m3:保温材料质量，Kg；
m4:平台、扶梯质量，Kg；
m5:操作时塔内物料质量，Kg；
ma:人孔、接管、法兰等附件质量，Kg；
me:偏心质量，Kg；
mw:液压试验时，塔内充液质量，Kg；
0.2m2:考虑内件焊在塔体上的部分质量，如塔盘支承圈、降液管等。
当空塔吊装时，如未装保温层、平台、扶梯等，则mmin应扣除m3和m4。
在计算m2、m4及m5时，若无实际资料，可参考表4-25进行估算。
表4-25 塔设备部分内件、附件质量参考值
名称笼式扶梯开式扶梯钢制平台圆形泡罩塔盘条形泡罩塔盘筛板塔盘浮阀塔盘舌型塔盘塔盘充液
单位质量 40Kｇ/m 15～24
Kｇ/m 150Kｇ/m2 150Kｇ/m2 150Kｇ/m2 65Kｇ/m2 75Kｇ/m2 75Kｇ/m2 7 0Kｇ/m2
塔设备各种载荷示意图(见下页)
风载荷:
安装在室外的自支承式塔设备，可视为支承在地基上的悬臂梁。
塔设备在风力作用下，一方面产生顺风向的弯矩，即风弯矩，它在迎风面塔壁和裙座体壁上产生拉应力，背风面一侧产生压应力。
另一方面是气流在塔的背后引起周期性旋涡，产生垂直于风向的诱发振动弯矩。
诱发振动弯矩只在塔的H/D较大、风速较大时比较明显，一般可忽略不计。
需要考虑时，可将诱发共振弯矩与风弯矩按矢量叠加。
（1）水平风力的计算
风吹在塔上，在迎风面产生风压。
风压的大小与风速、空气密度、所在的地区和季节有关。
根据各地区离地面高度为10m处30年一遇10分钟内的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。
风的粘滞作用使风速随地面高度而变化。
如果塔设备高于10m，则应分段计算各段的风载荷，视离地面高度的不同乘以高度变化系数fi，见表4-27。
风压的大小还与塔设备的高度、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：
（4-45）
式中：
Pi-水平风力，N；
q0-基本风压值，N/ｍ2，见表4-26，但均不应小于250N/ｍ2；
Li-第计算段长度（见风弯矩计算简图），mm；
fi-风压高度变化系数，按表4-27选取；
K1-体型系数，圆柱直立设备取0.7；
Dei-塔设备各计算段的有效直径，mm；
当笼式扶梯与塔顶管线布置成180°时，可取
当笼式扶梯与塔顶管线布置成90°时，取下列两式中的较大值：
式中：
Doi-塔设备各计算段的外径，mm；
d0-塔顶管线外径，mm；
ps-管线保温层厚度，mm；δ
si-塔设备器第i段保温层厚度，mm；δ
K3-笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取K3=400mm；
K4-操作平台当量宽度，mm；可取；
∑A-第i段内平台构件的投影面积（不计空档投影面积），mm2；
l0-操作平台所在计算段长度，mm；
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，按下式计算
-脉动增大系数，按表4-28查取；ζ
Vi-第i段脉动影响系数，按表4-29查取；
查表4-30；μzi- 第i段振型系数，根据Hi/H与φ
（2）风弯矩
在计算风载荷时，常常将塔设备沿塔高分成若干段，如下图所示。
一般习惯自地面起每隔10m分成一段，把每段内的风压值看为定值。
按式（4-45）分段求出风载荷Pi后，即可近似的视为合力Pi作用在该段的1/2处而求风弯矩。
任意截面的风弯矩
（4-46）
对于等直径、等壁厚的塔体和裙座体，风弯矩的最大值在各自的最低处，所以塔体和裙座体的最低截面为最危险截面。
但在变截面的塔体及开有人孔的裙座体，由于各截面的受载断面和风弯矩都各不相同，很难判别那个是最危险截面。
为此，必须选取各个可疑的截面作为计算截面并各自进行应力校核，各截面应能满足校核条件。
上图中0-0、1-1、2-2各截面都是薄弱部位，可选为计算截面。
地震载荷
如果塔设备安装在地震烈度为七度及以上地区，设计时必须考虑地震载荷对塔设备的影响。
塔设备在地震波的作用下有三个方向的运动：水平方向振动、垂直方向振动和扭转，其中以水平方向振动危害较大。
为此，计算地震力时，仅考虑水平地震力对塔设备的影响，并把塔设备看成是固定在基础底面上的悬臂梁。
（1）水平地震力
对于实际应用的塔，全塔质量并不集中于顶点，而是按全塔或分段均布。
计算地震载荷与计算风载荷一样，也是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。
即将塔设备化为多质点的弹性体系，见下面的多质点的弹性体系图。
由于多质点体系有多种振型，按照振动理论，对于任意高度hK处的集中质量mK引起基本振型的水平地震力为
（4-47）
式中：
FK1-集中质量mK引起的基本振型水平地震力，N；
Cz-综合影响系数，对圆筒形直立设备取Cz=0.5；
mK-距离地面hK处的集中质量（见下左图），Kg；
K1-基本振型参与系数，按计算；η
值可查下右图，图中的曲线部分按计算，但不得小于α值。
α-对应与塔设备基本自振周期T 1的地震影响系数1α；
max-地震影响系数的最大值，见表4-31；α
表4-31 的最大值α地震影响系数
设计烈度 7 8 9
max 0.23 0.45 0.90α
Tg-各类场地土的特征周期，见表4-32；
表4-32 场地土的特征周期
场地土近震远震
Ⅰ 0.2 0.25
Ⅱ 0.3 0.40
Ⅲ 0.4 0.55
Ⅳ 0.65 0.85
T1-设备基本自振周期，s。
对于等直径、等壁厚的塔设备：
不等直径或不等厚度的塔设备：
H-塔的总高，mm；
m0-塔在操作时的总质量，kg；
E-塔壁材料的弹性模量，MPa；
e-筒体有效壁厚，mm；δ
Di-设备内径，mm；
Ei、Ei-1-第i段、第i-1段的材料在设计温度下的弹性模量，MPa；
Ii、Ii-1-第i、第i-1段的截面惯性矩，mm4；
圆筒段、圆锥段Dei-锥壳大端内直径，mm；Dif-锥壳小端内直径，mm；
ei-各计算截面设定的圆筒或锥壳有效壁厚，mm。
δ
（2）垂直地震力
设防烈度为8度或9度区的塔设备应考虑上下两个方向垂直地震力作用，见下图。
塔设备底截面处的垂直地震力按下式计算：
（4-48）
式中：
max；αvmax=0.65αvmax-垂直地震影响系数最大值，取α
mep-塔设备的当量质量，取mep=0.75m0，Kg。
任意质量i处垂直地震力按下式计算：
（4-49）
（3）地震弯矩
塔设备任意计算截面i-i的基本振型地震弯矩按式（4-50）计算：
（4-50）
式中MEii-i-任意计算截面i-i的基本振型地震弯矩，N•mm。
对于等直径、等厚度塔设备的任意截面i-i和底截面0-0的基本振型地震弯矩分别按式（4-5 1）和式（4-52）计算：
（4-51）
（4-52）
当塔设备H/D>15，或高度大于等于20m时，还需考虑高振型的影响，在进行稳定或其他验算时，地震弯矩可按式（4-53）计算
（4-53）
偏心载荷:
当塔设备外部装有附属设备时（如塔顶冷凝器偏心安装、塔低外侧悬挂再沸器），这些偏心载荷除了引起轴向压应力外，还要产生轴向弯矩Me，这弯矩不沿塔的高度而变化，其值可按下式计算
（4-54）
式中：
Me-偏心弯矩，N•mm；
me-偏心质量，Kg；
g-重力加速度，m/s2；
e-偏心矩，即偏心质量的中心距塔设备轴线的距离，mm。