淺析高徑比為15臨界值時塔器橫風(fēng)向風(fēng)振計算

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隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，化工裝置的生產(chǎn)能力不斷提高，塔器作為化工裝置中的核心設(shè)備，大型化已成趨勢。塔器設(shè)備的計算過程比較復(fù)雜，不僅要進行壓力載荷的計算，還要進行風(fēng)載、地震載荷等的計算。如何在大型化裝置中設(shè)計出合理、安全、可靠的高塔，是眾多化工設(shè)備設(shè)計者共同面對的問題。

通常，受風(fēng)載荷的影響，塔器振動分為兩種情況：一種是順風(fēng)向振動，即塔器在風(fēng)力的作用下，沿風(fēng)向平行來回擺動；另一種是橫風(fēng)向振動，即誘導(dǎo)振動，塔器沿與風(fēng)向垂直方向上的來回擺動。相比而言，誘導(dǎo)振動機理復(fù)雜，理論計算難免同實際情況存在偏差，且誘導(dǎo)振動對塔的危害性更大一些。因此在《塔式容器》NB/T47041-2014標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了當(dāng)塔的高徑比H/D>15且H>30m時，還應(yīng)計算橫向風(fēng)振。本文以某項目中一臺高徑比為15臨界值的塔器為例，對塔器塔頂振幅的計算結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)在相同塔高的情況下，由于裙座形式的不同造成H/D的不同，從而在計算軟件SW6中進行了不同模式的校核計算，導(dǎo)致計算結(jié)果的不同。針對此種情況，筆者提出了解決思路和方案，避免工程設(shè)計中的不安全因素。

1 塔器概況

某塔內(nèi)徑為5708mm,筒體長度為75520mm,裙座高度為8840mm,設(shè)計壓力為0.35MPa(G)/FV，設(shè)計溫度為210℃，材料為Q345R。塔器所在地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震加速度值為0.1g，基本風(fēng)壓為0.4kN/m2。塔器外形見圖1。

圖1 塔器外形圖

2 塔頂振幅計算分析

2.1 塔頂振幅計算

表1 塔頂振幅及檢修時自振周期

2.2 計算結(jié)果分析

由表1可知，當(dāng)采用圓錐形裙座時，塔頂在操作工況和檢修工況下的塔頂振幅計算結(jié)果為0，這是因為在此模式下，計算軟件僅對順風(fēng)向風(fēng)載荷進行了計算，而未考慮橫風(fēng)向風(fēng)載產(chǎn)生的塔頂振幅。依據(jù)《塔式容器》NB/T47041-2014標(biāo)準(zhǔn)7.6.2條，當(dāng)高徑比H/D>15且H>30m時，才需對塔器的橫向風(fēng)振進行核算。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)釋義：對于等直徑的塔器，此處為公稱直徑，對于不等直徑的塔，此處應(yīng)為各直徑的加權(quán)平均值：

(1)

式中，D1、D2為不等直徑各段的塔體公稱直徑，mm；l1、l2為不等直徑各段的長度，mm；H為塔式容器高度(含裙座高度),mm。

當(dāng)裙座型式為圓筒形裙座時，H取85851mm，D取5708mm，高徑比計算得：

(2)

依據(jù)《塔式容器》NB/T47041-2014標(biāo)準(zhǔn)及釋義，高徑比H/D>15且H>30m時，需對塔器的橫向風(fēng)振進行核算。

當(dāng)裙座型式為圓錐形裙座時，H取85851mm，塔器的等效內(nèi)徑D按式(1)計算得：

(3)

(4)

依據(jù)《塔式容器》NB/T47041-2014第7.6.2條，高徑比H/D≤15時，無需對塔器的橫向風(fēng)振進行核算。因此裙座為圓錐形工況的計算結(jié)果中塔頂振幅為0。

雖然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對高徑比H/D<15且H>30的塔器不考慮橫向風(fēng)振動，但在工程實際中的高塔(H>30m)是有可能發(fā)生橫風(fēng)向振動，不僅會增大塔頂振幅，對塔器基礎(chǔ)載荷也會增加，如果在設(shè)計中忽略此影響，存在安全隱患。

3 共振的判別

塔器共振時的風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速。臨界風(fēng)速按下式計算：

已經(jīng)是下午三點，太陽很猛烈，殷明佝僂著身子，背著那個破舊的單肩包，身子一陣一陣發(fā)冷。這是第幾次了？哦，三十二次，三十二次，場場不中，俺也算是個人才了吧。殷明自嘲地笑了笑。好吧，又是一天過去了。他走到大廈邊上，看著旁邊呆呆地靠墻烘著太陽的流浪漢們。他挨著他們坐了下來，偏著頭，側(cè)著身子，弓起身子蜷縮著，他太累了，不一會兒，輕輕的鼾聲便此起彼伏，右手腕上那個傷口上，歪歪扭扭貼著那張秦容曾經(jīng)給他買的創(chuàng)可貼。

(5)

式中，D0為塔殼的外直徑，取5772mm；St為斯特羅哈數(shù)，取St=0.2；Ti為第i振型的自振周期，按《塔式容器》NB/T47041-2014的7.4條計算得第一振型的自振周期為2.1s；第二振型的自振周期為0.35s。

塔器頂部風(fēng)速按下式計算：

(6)

式中，ft為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，此處取1.992；q0為基本風(fēng)壓，取0.4kN/m2。

若vH

塔器第一振型時的臨界風(fēng)速：

(7)

塔器第二振型時的臨界風(fēng)速：

(8)

塔器頂部風(fēng)速：

(9)

通過比較式(7)，(8)(9)可知，該塔器應(yīng)該考慮第一振型的振動。

在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009中也有類似規(guī)定：對于圓形截面的結(jié)構(gòu)，應(yīng)按規(guī)定對不同雷諾數(shù)Re進行橫風(fēng)向風(fēng)振的校核。當(dāng)Re≥3.5×106且頂部風(fēng)速的1.2倍大于vc1，可發(fā)生跨臨界的強風(fēng)共振，雷諾數(shù)按下式計算得：

Re=69vD0=69×35.72×
5772=1.423×107≥3.5×106

(10)

式中，V為塔器頂部風(fēng)速，取35.72m/s；D0為筒體外徑，取5772mm。

綜上所述，這臺塔器應(yīng)當(dāng)進行橫風(fēng)向風(fēng)載計算。

4 解決措施

根據(jù)前述分析，筆者設(shè)計了三種方案對這一臺塔器進行計算，通過SW6計算所得結(jié)果匯總見表2。

其中方案1，塔徑、塔高不變，采用圓筒形裙座；方案2，塔徑、塔高不變，采用圓錐形裙座；方案3，塔徑不變，塔高增加500mm。按式(1)計算得三種方案的H/D值也列于表2。

表2 計算結(jié)果匯總表

從表2可以看出，對于高徑比在15臨界值附近的塔器，裙座采用圓錐形時，可以減小塔頂撓度，有利于改善塔器的受力狀況，操作平穩(wěn)，更好地滿足工藝要求。但由于塔形系數(shù)(H/D值)會因此改變，可能導(dǎo)致計算程序中不再對橫風(fēng)向風(fēng)載進行計算，使計算結(jié)果中的基礎(chǔ)載荷值偏低。在這種情況下，設(shè)計者可以采取適當(dāng)措施，如增加一段塔高，改變H/D值，即可利用計算軟件進行更符合實際情況的計算，提高設(shè)計效率及結(jié)果的準(zhǔn)確性。實際工作中，采用方案3進行設(shè)計，是兼顧了安全性與經(jīng)濟性的最佳方案。

5 結(jié)語

在塔器設(shè)計時，設(shè)計者一般會選擇一種裙座型式進行設(shè)計計算。本案例中的這臺塔器，當(dāng)采用圓錐形裙座時，如直接引用SW6軟件的計算值作為基礎(chǔ)載荷，會導(dǎo)致設(shè)計基礎(chǔ)時載荷偏小，有安全隱患。

綜上所述，結(jié)合本實際案例，對于塔高H>30m,高徑比H/D在15臨界值附近的塔器，根據(jù)臨界風(fēng)速和塔頂風(fēng)速判定是否考慮塔器的橫風(fēng)向共振動問題，同時根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009中規(guī)定, 對雷諾數(shù)Re進行計算比較，如同時滿足以上條件但H/D值小于15，建議適當(dāng)增加塔高，使H/D>15，以得到更接近工程實際情況的計算模型，設(shè)計結(jié)果也更趨經(jīng)濟且安全。