立式容器支腿的設(shè)計(jì)與計(jì)算

 引言
在立式設(shè)備支撐設(shè)計(jì)中，支腿式支撐是常用的型式之一。然而，在我國現(xiàn)行支腿標(biāo)準(zhǔn)JB/T4712.2-2007中，選用標(biāo)準(zhǔn)支腿有一定局限性，其局限性主要有以下幾個(gè)方面：①工程直徑限制；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公稱直徑DN1600以內(nèi)的立式容器支腿系列，但在實(shí)際工程中，公稱直徑超界的情況時(shí)有發(fā)生，在一些大直徑設(shè)備中，為了保證足夠的底部空間，還得選用腿式支座。②地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)溫度限制；標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定設(shè)計(jì)溫度不高于200℃，風(fēng)壓不高于800Pa，抗震設(shè)防烈度不高于8度等，事實(shí)上在設(shè)計(jì)溫度高于200℃或氣象地質(zhì)條件超過此范圍時(shí)，支腿式支撐也是可用的。③支腿高度及容器高度的限制；這兩個(gè)高度在標(biāo)準(zhǔn)中是互相對(duì)應(yīng)的，然而，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到因?yàn)楣に囆枰龃笾然蛟O(shè)備高度的情況，這時(shí)有些設(shè)計(jì)者通過選用大一到兩級(jí)規(guī)格支腿，這樣可能會(huì)造成支腿尺寸偏大，結(jié)構(gòu)不太合理。現(xiàn)在設(shè)計(jì)者大都通過強(qiáng)度計(jì)算軟件對(duì)容器進(jìn)行強(qiáng)度校核，如果設(shè)計(jì)者掌握了支腿的計(jì)算方法，這些問題就能迎刃而解。
1 計(jì)算方法簡介
支腿的計(jì)算內(nèi)容包括：①支腿穩(wěn)定及強(qiáng)度計(jì)算；②地腳螺栓的強(qiáng)度計(jì)算；③基礎(chǔ)板的強(qiáng)度計(jì)算；④支腿裝配焊縫的強(qiáng)度計(jì)算?，F(xiàn)行支腿標(biāo)準(zhǔn)在附錄中給出了一種支腿的計(jì)算方法，對(duì)以上四種計(jì)算做出了具體說明。支腿式容器主要載荷見圖1，支腿的計(jì)算主要是圍繞水平載荷FH和垂直載荷W1進(jìn)行的。
1.1 穩(wěn)定及強(qiáng)度計(jì)算 在支腿計(jì)算中，大量實(shí)例表明支腿壓應(yīng)力是支腿設(shè)計(jì)的控制因素。在支腿壓應(yīng)力計(jì)算中，應(yīng)考慮設(shè)備水平載荷FH和垂直載荷W1；這里需要說明的是由于在試壓工況下，不考慮地震力和風(fēng)載荷作用，因此，試壓工況僅有垂直載荷，因此在支腿壓應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，計(jì)算的是操作工況。單根支腿的壓應(yīng)力計(jì)算公式為：？滓c=■，其中FL2=■-■ 式中：σc—單根支腿壓應(yīng)力；FL2—單根支腿垂直反力；FH—水平載荷；HC—基礎(chǔ)頂面至設(shè)備質(zhì)心高度；N—支腿個(gè)數(shù)；DB—支柱中心圓直徑；W1—垂直載荷；A—單根支腿的橫截面積。
支腿穩(wěn)定性計(jì)算還包括支腿的彎曲計(jì)算，彎曲計(jì)算其實(shí)就是支腿彎矩的計(jì)算，由于水平載荷FH會(huì)對(duì)地面引起傾覆力矩，當(dāng)有偏心載荷時(shí)，其偏心距應(yīng)計(jì)入水平載荷對(duì)地面引起傾覆力矩；同理，由于支腿頂部也是會(huì)引起傾覆力矩，這個(gè)力矩主要因?yàn)閱胃却怪狈戳σ?，由此，支腿兩端將產(chǎn)生反力矩，據(jù)此可計(jì)算支腿的彎曲應(yīng)力：
σb=■ 式中：σb—支腿彎曲應(yīng)力；R—每個(gè)支腿水平反力；L1—基礎(chǔ)班下表面至支腿裝配焊縫中心的長度；e—?dú)んw外壁至支柱形心的距離；WMIN—單根支腿的最小抗彎截面模量。
需要說明的是，在支腿壓應(yīng)力和彎曲計(jì)算中，支腿的長細(xì)比起著主要作用，長細(xì)比愈大，支腿的臨界許用應(yīng)力越小，同時(shí)又加大了傾覆力矩的影響，容易導(dǎo)致支腿彎曲；因此，對(duì)支腿的長細(xì)比應(yīng)予控制；長細(xì)比計(jì)算公式為：
λ=■ 式中：λ—支腿長細(xì)比；k—有效長度系數(shù)，與端部固定形式有關(guān)，一般為常數(shù)；IMIN—支腿最小慣性矩。
因此在選擇支腿時(shí)，可以從兩方面降低支腿長細(xì)比：①應(yīng)盡可能選擇較大IMIN，在同樣的截面積下，回轉(zhuǎn)半徑較大者，IMIN也會(huì)較大，這樣會(huì)提高支腿的穩(wěn)定性。②各支腿間采用斜拉桿支撐，這樣相當(dāng)于改變了端部固定形式，因?yàn)橐话闱闆r下，支腿端部固定形式可理解為一端固支一端簡支，這時(shí)的k值一般取0.7，當(dāng)采用斜拉筋支撐時(shí)，可理解為上下端同時(shí)固支，k值取0.5，k值下降從而提高了支腿穩(wěn)定性。
除了壓應(yīng)力及彎曲計(jì)算外，穩(wěn)定性及強(qiáng)度計(jì)算還應(yīng)包括支腿剪切計(jì)算，剪切應(yīng)力是由水平載荷引起的，計(jì)算公式為：？子=■；式中τ—支腿剪切應(yīng)力。
1.2 地腳螺栓強(qiáng)度計(jì)算 地腳螺栓強(qiáng)度計(jì)算包括拉應(yīng)力計(jì)算和剪切應(yīng)力計(jì)算，其計(jì)算公式為：
σbt=■-■
？子bt=■
式中：σbt—地腳螺栓拉應(yīng)力；Db—地腳螺栓中心圓直徑；nbt—一個(gè)支腿地腳螺栓數(shù)；Abt—一個(gè)地腳螺栓的有效截面積；τbt—地角螺栓的剪切應(yīng)力。
由于在實(shí)際工程應(yīng)用中，同等規(guī)格的容器，單純通過改變地腳螺栓規(guī)格所引起的拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化并不大，在很多情況下，地腳螺栓的強(qiáng)度富裕量是很大的，地腳螺栓僅起固定作用。
1.3 基礎(chǔ)板強(qiáng)度計(jì)算 基礎(chǔ)板強(qiáng)度計(jì)算主要是基礎(chǔ)壓縮應(yīng)力的計(jì)算，基礎(chǔ)的壓縮應(yīng)力主要由容器單根支腿垂直反力引起，計(jì)算方法同支腿的壓應(yīng)力類似，只是把支腿截面積換為了基礎(chǔ)板的面積：σc1=■ 式中：σbt—基礎(chǔ)上壓縮應(yīng)力；b1—基礎(chǔ)板長度；b2—基礎(chǔ)板寬度。
在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，判斷基礎(chǔ)壓縮應(yīng)力合不合格是由土建專業(yè)完成的，設(shè)備專業(yè)只需根據(jù)基礎(chǔ)壓縮來計(jì)算基礎(chǔ)板的厚度：
σ■=B■+Cb 式中：δb—基礎(chǔ)板厚度；B—支腿到基礎(chǔ)板邊緣別的最大長度；[σ]—基礎(chǔ)板許用應(yīng)力；Cb—基礎(chǔ)板腐蝕裕量。
降低基礎(chǔ)壓縮應(yīng)力的最有效方法就是增大基礎(chǔ)板的面積。在工程實(shí)際應(yīng)用中，我們?nèi)绻x用的是大面積的基礎(chǔ)板，還會(huì)給土建專業(yè)帶來方便。
1.4 裝配焊縫的強(qiáng)度計(jì)算 裝配焊縫的強(qiáng)度計(jì)算是對(duì)與本體裝配焊縫的強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算主要包括焊縫彎曲應(yīng)力計(jì)算、焊縫剪切應(yīng)力以及當(dāng)量應(yīng)力的計(jì)算，其計(jì)算公式如下：σf=■ τ1=■ σz=■
式中：R—每個(gè)支腿的水平反力；Z—焊縫的抗彎截面模量；τ1—支腿裝配焊縫的剪切應(yīng)力；A1—焊縫的橫截面積；σz—支腿裝配焊縫的當(dāng)量應(yīng)力。
2 結(jié)束語
很多設(shè)計(jì)者在立式容器使用條件超出標(biāo)準(zhǔn)支腿選用范圍時(shí)，不知該如何選用支腿，本文詳細(xì)介紹了立式容器支腿的計(jì)算方法，以供設(shè)計(jì)者在使用時(shí)參考，只有掌握了支腿的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)有據(jù)可依，才能從根本上解決問題，使支腿設(shè)計(jì)變的更合理。