基于美国标准的换热器及卧式容器基础设计

2020-10-23宋智杰

工程建设与设计 2020年19期

关键词：美标支墩换热器

宋智杰

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）

1 美标设计特点

美国标准（美标）虽与我国国家标准（国标）有很多相似之处，但两者却是截然不同的两套体系。主要体现在：

1）美标种类多。各种技术标准、规范多达5 万种以上，其中，由私营机构、学会等制定的达4 万种以上。

2）私营机构主导标准规范的制定和推广。联邦政府仅负责制定一些强制性标准，涉及交通、食药品、环保及制造业。

3）不同于国标，美标在新的版本实行后，旧版本并不废除。项目中具体采用标准版本应与业主ITB（招标邀请书）中规定版本一致。

基于美标的几个特点，导致标准由于不同机构制定，所以各个标准之间要求不一致。设计人应充分熟悉ITB 规定，如对ITB 有异议或补充，应与业主及时沟通与联系。

2 荷载计算

2.1 竖向荷载

美标对恒载及活载的定义和范围与国标一致。但国标、美标两者具体取值亦有不同。根据文献【1】规定，对换热器及卧式容器基础计算中，在设备空重或操作工况下，需考虑管道附加荷载，且需计入偏心荷载的影响：

1）对换热器直径≤610mm 的设备，需计入20%的设备空重或操作荷载；

2）对换热器直径＞610mm 的设备，需计入10%的设备空重或操作荷载；

3）对卧式容器应计入10%的设备空重、操作荷载或充水试压荷载；

4）偏心距离为（D/2+450）mm，D 为设备外径（含保护层厚度）；

5）对组合式换热器，附加荷载仅考虑较大重量的换热器罐体荷载。

竖向荷载向支墩传递时，管箱端的荷载应为总重的60%，而盲端的荷载应为总重的40%。

2.2 水平荷载

2.2.1 风荷载计算

依据文献【2，3】，高度 z 处速度压力由式（1）计算：

式中，Kz为速度压力暴露系数；Kzt为地貌系数；Kd为风向作用系数；V 为基本风速，m/s；I 为结构重要系数。

则风荷载值见式（2）：

式中，G 为阵风系数；Gf为压力系数；Af为迎风面构件实际挡风面积，m2。

由此计算出X、Y 2 个方向的风荷载。

2.2.2 地震荷载计算

依据文献【4】，地震荷载计算见式（3）：

式中，R 为结构计算系数；Ca为地震系数；I1为地震重要性因子；W 为计算重量，kN。

2.2.3 抽芯荷载计算

依据文献【5】规定，抽芯力应为1.0 倍的管束重量。且当设备空重≥9.0kN 时，抽芯力≥9.0kN；当设备空重＜9.0kN 时，抽芯力≥设备空重。

2.2.4 温度荷载及摩擦力计算

由文献【1】可知，摩擦力计算见式（4）：

式中，μ 为滑动端的摩擦系数；P0为滑动端的竖向荷载，N。

支墩温度荷载计算公式见式（5）：

式中，Δ 为总膨胀距离，mm；E 为截面弹性模量，N/mm2；Ia为截面惯性矩，mm4；H 为支墩高度，m。

温度荷载与摩擦力取二者较小值。

2.2.5 水平荷载分配

根据文献【5】：抽芯力作用在滑动端的力为摩擦力与一半抽芯荷载的较小值，其余抽芯荷载由固定端承担。

文献【1】规定：当滑动端的摩擦系数＞0.2 时，固定端的计算荷载取70%的地震力，滑动端的计算荷载取50%的地震力；当滑动端的摩擦系数≤0.2 时，固定端的计算荷载取100%的地震力，滑动端的计算荷载取30%的地震力。

3 荷载组合

和国标不同，美标每种工况不是单一的一种荷载组合，且荷载分配系数每种组合也有一定变化。这无疑为手算提高了难度，使得手算大量的设备基础变得难以实现，故编制Excel计算表格变得格外重要。

4 受力构件计算

换热器与卧式容器基础计算其美标结构计算模型与国标一致，此处不再赘述。

4.1 受弯构件计算

根据文献【6】，其计算公式见式（6）～式（8）：

式中，Mu为设计弯矩，kN·m；φ 为受弯构件材料强度降低系数；Mn为材料抗弯承载力，kN·m；b 为受弯构件截面宽度，mm；d 为受弯构件截面有效计算高度，mm；Kn为弯矩计算系数；ρ 为受拉钢筋配筋率，ρ=As/bd，As为受拉钢筋截面积，mm2；′为混凝土抗压强度，N/mm2；fy为钢筋抗拉强度，N/mm2。

由此求出受拉钢筋截面积。