立式容器支腿的設計與計算

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