塔的强度设计

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

1）按设计条件，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。

塔的固有周期

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

在分布惯性力q的作用下的挠曲线微分方程为：

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：

不等直径、不等厚度塔的计算

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Yi和Ya之间有如下关系:

对单自由度体系，其固有周期的计算公式为：，         ——顶端作用单位力时所产生的位移

由材料力学，顶端作用单位力时，变截面梁在顶端的位移为：

得不等直径、不等厚度塔第一振型的固有周期为：

塔的载荷分析

质量载荷

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

偏心载荷

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。

风载荷

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。

• 风力计算
• 风弯矩计算

地震载荷

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。

• 地震力的计算
• 地震弯矩的计算

最大弯矩的确定

确定最大弯矩时，偏保守地假设风弯矩（Mw）、地震弯矩（ME）和偏心弯矩（Me）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：

筒体的强度和稳定性校核

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。

筒体轴向应力

（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

（3）最大弯矩在筒体上引起的轴向

轴向应力校核条件

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。

裙座的强度与稳定性校核

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。

裙座基础环

（1）基础环应力分布

（2）基础环厚度

a. 无筋板基础环

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

因此基础环厚度为：

b. 有筋板基础环

基础环厚度为：

地脚螺栓

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。

裙座与塔体连接焊缝

（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。

（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。