浅论塔式容器的风载荷和地震载荷

王光华

摘 要：在塔设备所受到的所有载荷中，风载荷和地震载荷是较为重要的动载荷，它的计算正确与否将直接影响塔设备的安全。本文对影响风载荷和地震载大小的因素进行了分析，阐明了各参数的涵义，同时简要的分析了风载引起的横向共振及高振型对地震载荷的影响，从而保证了设计结果的可靠性和合理性。

关键词：自振周期 风载荷 共振 地震载荷

1 前言

一般来说，塔器在整个石化系统中属于比较重要的设备，它通常处于压力操作状态下，且通常装有易燃易爆的介质，一旦失效将会造成严重的后果。因此，在设计塔器过程中，应全面分析各种载荷及对其产生的影响。塔器除承受压力载荷外，还承受其它多种载荷，如重量载荷、风载荷、地震载荷、管道推力、偏心载荷等。此外，还应考虑压力和温度变化的影响，管道部件连接力，热膨胀作用力等。当压力较低、塔设备较高时，风或地震载荷往往成为塔器强度或刚度的控制因素。通常塔器愈高，由侧向载荷产生的弯曲应力也愈大。因此，必须十分重视风载荷和地震载荷的设计计算。由于影响风载荷和地震载荷的因素比较多，且计算过程比较复杂，所以有必要对塔器所承受的风载荷和地震载荷进行分析，并通过分析来合理地简化其设计计算过程。

2 塔器的自振周期

风戴荷和地震载荷都属于动载荷。与静载荷不同，动载荷作用于塔上会产生较大的惯性力，使塔产生振力。而这种振动不仅与载荷的大小、载荷的作用方式、载何的变化规律有关，同时与塔的自由振动周期也密切相关。因此，在计算风载荷及地震载荷之前，必须先确定塔的自振周期。

从结构动力学可知，塔设备是一个具有无限个自由度的体系，因此它有无限个自振频率（周期）。其中最低频率w1 称为基本频率，其它统称为高频率。由基本频率求得的周期为基本周期，由高频率求得的分别为第二振型周期、第三振型周期……或统称为高振型周期。体系的自振周期是一个常数，它取决于体系的刚度和质量大小。外界干扰力只能影响体系的振幅，不能改变其自振周期，自振周期与质量的平方根成正比，与刚度的平方根成反比。因此，要改变体系的自振周期，可以采用改变体系的质量与刚度比值的办法来实现。

在工程设计中，通常把无限自由度体系的塔器简化为若干段来计算。由于塔设备的振动以第一、第二振型最为重要，所以一般只要求出第一、第二振型即可。NB/T47041-2014（JB/T4710）《塔式容器》中可将直径、厚度或材料沿高度变化的塔器视为一个多质点体系，其基本自振周期T1按式（16）计算。直径、厚度相等的塔容其基本自振周期T1按式（19）计算。第二振型的自振周期近似取T2= T1/6求得。

3 风载荷

风载荷是安装在室外的塔器的主要载荷之一。它除了使塔产生应力和变形以外，还使塔体产生沿风向（纵向）和垂直于风向（横向）的振动。同时，过大的塔体应力会造成塔体的强度和稳定失效；过大的挠度不仅会使塔的分离效率降低，也使偏心弯矩增大，影响操作人员安全。如发生共振，便会造成塔体的破坏。由于风载荷是室外塔设备破坏的重要原因，因此，必须重视风载荷的计算。

当空气流冲击塔设备时，气流中心部分速度消失，其动能转变为静压能，此静压能即风压。基本风压q0系指速度压，，式中υ0是基本风速。ρ是空气密度，随当地海拔高度及温湿度而异，但制定基本风压采用统一的ρ=1.25kg/m3（相当于一个大气压下，100C时的干燥空气密度）。基本风压规定是利用建筑物所在地區10m高度处50年一遇10min最大平均风速作为基本风速υ0。某地区的基本风压值可按资料查询，也可通过相关公式用计算求得。

风速随高度而变化，离地越高，风速越大。其主要原因是气流在流动运行过程中，受到地面的摩擦，消耗了能量，使速度降低。离地越高，气流受地面影响越小，所以风速随高度而增大。在设计计算中，引入参数fi来表征风压高度的变化，即在一定的地表粗糙度的条件下，风压是随着高度变化而变化的。

对于稳定的风压作用于不同形状的设备的表面时，它的分布情况是不同的，它与设备的形状有关。对此可用空气动力系数K1来表示。对圆筒形的塔设备，通常取K1=0.7。 。

对于高塔，风是主要载荷。因此，仅根据风是在稳定情况下的静力作用这一假定，按风压静力作用计算高塔是不够的，设计高塔时，除必须计算沿平均风速变化的工况外，还应考虑稳定的气流上有附加阵风作用，它所引起的风压脉动是随机的，这些力对塔产生动力作用。对任一高度的风压都可分解为稳定风压和脉动风压两部分。稳定风压看作静力，它对塔设备任一计算段产生静载荷用Pji 表示（ Pji=K1fiq0Ai ）。 脉动风压引起塔设备沿风向振动。根据结构动力学，可将其动力部分折算为静载荷PKZ。对塔设备任一计算段PKZi=ξmiPji 其中动力系数ξ与结构动力特性有关，即与构件的自振周期及阻尼有关，脉动系数m是随地面高度而变化的函数。因此，某一计算段总的风载荷为Pji+PKZi=K1（1+miξ）fiq0A把 （1+miξ）用 K2i来代，K2i即为本段的风振系数。

Ai（m2）为迎风面积，指塔设备受风部分在垂直风向上某计算段的有效直径 Dei（m）与高度hi（m）的乘积即 Ai=Dei hi ，有效直径是指包括塔体、保温层、扶梯、操作平台、管线及保温层等所有受风构件迎风宽度总和。

综合上述分析，在全面考虑了各种因素的影响后，可用下列公式计算塔设备上某一段的风载荷：Pi= K1K2iq0fiDeihi

此外，在设计高塔时，还应考虑振动情况下的失稳问题。我们知道，当风吹向塔体时，平行的气流受到干扰，在塔体背风面的两侧交替形成旋涡，而旋涡的出现和消失，则引起塔体两侧压力的改变，迫使塔体发生垂直于风向的横向振动。在某一风速下，当旋涡出现或消失的周期与塔体的自振周期接近时，就发生共振，甚至因而导致严重破坏。

当气流绕过塔体时，气流由塔的最前端向最外侧及后侧流动过程中，速度先逐渐加强后逐渐减弱。根据伯努利定律，气流的动能和静压能也相互转换。因此，在塔的侧后方的静压较大，它促使气流向反方向流动，并使边界层增厚，形成旋涡。旋涡逐渐加大，最后脱离塔体表面，汇入背风侧的气流中去。在旋涡脱离塔表面时，总是某一侧先失去平衡而脱离，此时另一侧的旋涡还在形成并增大，如此交替形成有规律的，且分别为顺时针和逆时针方向的两行旋涡尾流。这称为卡曼涡街。它的产生和逸散有一定的频率，此频率与风速和塔体外径有关。当塔体两侧交替形成旋涡时，它对气流阻力也有周期性变化。形成旋涡的一侧，阻力大，气流速度小，静压能高，给塔以推力；同样，另一侧形成时也同样给塔以推力，这样塔体就处于交替的垂直于风向的推力之中而产生横向振动。当塔体一侧推力的变化周期与塔自振周期相近时，塔便产生共振，从而危及塔的安全。（其发生共振时的临界风速可按V=5D0/T 来计算）。因此在塔器的强度和稳定性校核时，还应该考虑由共振推力引起的弯矩的作用。将此合成弯矩以及地震组合弯矩，分别加上偏心弯矩进行比较取其中较大者，用于塔体强度和稳定校核。如果经计算发现不足时，可采用增加塔器壁厚来改变其自振周期；增加塔径，以提高临界风速；合理布置塔体上管道、平台、扶梯，以破坏周期性旋涡的生成；沿塔体四周焊一些螺旋形板，消除旋涡形成或改变旋涡逸散方式等方法来解决。

4地震载荷

当地壳在长期运动变化过程中积聚的能量超出岩层的强度极限时，所引起的岩层突然断裂或错位，就会产生振动，以弹性波的形式传到地面，地面也随之运动，这就是地震。它具有突发性和强大的破坏性。因此，我们在进行地面上的构件的设计过程中，必须考虑可能的地震载荷的影响。

要研究地震载荷对构件的影响，首先应了解抗震设计反应谱，它是由实际地震反应谱经统计分析、经验地综合判断后加以规定的，在工程应用中一般不用反应谱本身，而是采用地震动力系数β 谱，反应谱体现了强震地面的振幅和频率特性。因此对强震地面运动有影响的因素，都会影响反应谱的特征。所以我们在应用反应谱进行设计时，应注意其影响因素。由统计分析可知，对于等地震烈度来说，来自近距离中强地震的影响和来自远距离强烈地震的影响，两种频谱特性是不同的，因此要考虑本地区是近震区还是远震区。从大量的震害实例表明，在地震强度相同情况下，由于场地条件不同，也会对构件产生不同的破坏作用。坚硬的场地卓越周期较短，与上部周期较短的低矮脆性结构发生共振作用，会促进其破坏。同样，软厚场地周期较长，与位于其上的周期较长的高柔构件共振也会加大破坏。因此要为不同的场地进行分类，我们在设计中常用的土地类别是以不同的场地卓越周期为划分依据的，它同时反映了场地刚度和厚度的影响。必须根据实际地质情况合理地选用。

在运用地震载塔公式对塔器进行计算时，还应考虑高振型的影响。由于塔器属于无限自由度体系，它具有无限多振型，且各振型是同时出现的。对于高振型，因衷减很快或对应其产生的应力较小，可忽略不计。但对于高柔的塔器来说，它的第一周期很长，而第二或第三周期却接近地震的主周期，因此有必要考虑第二或第三振型。在NB/T47041-2014（JB/T4710）《塔式容器》中當塔器H/D>15，且H>20m时，还应考虑高振型的影响。此外，竖向地震力对塔器的影响要小于水平地震作用，一般不考虑。在NB/T47041-2014（JB/T4710）《塔式容器》》中8度、9度地震设防烈度地区才考虑上下两方向的垂直地震力作用。

5结束语

由以上分析可以看出，对风载荷的确定准确与否，将极大地影响塔的安全性及经济性。同样，地震载荷、偏心载荷等附加载荷对塔器的设计也极其重要。尤其当塔器的内压较小，且高度较高时，风载荷、地震载荷往往成为塔式容器设计的控制因素，所以对影响风载荷、地震载荷大小的各参数的选择及计算就显得尤为关键。

因此，我们只有深入掌握各参数的涵义，加上更周详的考虑，才能使设计出来的塔器安全、可靠地运行。

参考文献

[1] 《塔式容器》 NB/T47041-2014（JB/T4710）.