王光華

摘 要：在塔設(shè)備所受到的所有載荷中，風(fēng)載荷和地震載荷是較為重要的動(dòng)載荷，它的計(jì)算正確與否將直接影響塔設(shè)備的安全。本文對(duì)影響風(fēng)載荷和地震載大小的因素進(jìn)行了分析，闡明了各參數(shù)的涵義，同時(shí)簡要的分析了風(fēng)載引起的橫向共振及高振型對(duì)地震載荷的影響，從而保證了設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性和合理性。

關(guān)鍵詞：自振周期 風(fēng)載荷 共振 地震載荷

1 前言

一般來說，塔器在整個(gè)石化系統(tǒng)中屬于比較重要的設(shè)備，它通常處于壓力操作狀態(tài)下，且通常裝有易燃易爆的介質(zhì)，一旦失效將會(huì)造成嚴(yán)重的后果。因此，在設(shè)計(jì)塔器過程中，應(yīng)全面分析各種載荷及對(duì)其產(chǎn)生的影響。塔器除承受壓力載荷外，還承受其它多種載荷，如重量載荷、風(fēng)載荷、地震載荷、管道推力、偏心載荷等。此外，還應(yīng)考慮壓力和溫度變化的影響，管道部件連接力，熱膨脹作用力等。當(dāng)壓力較低、塔設(shè)備較高時(shí)，風(fēng)或地震載荷往往成為塔器強(qiáng)度或剛度的控制因素。通常塔器愈高，由側(cè)向載荷產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力也愈大。因此，必須十分重視風(fēng)載荷和地震載荷的設(shè)計(jì)計(jì)算。由于影響風(fēng)載荷和地震載荷的因素比較多，且計(jì)算過程比較復(fù)雜，所以有必要對(duì)塔器所承受的風(fēng)載荷和地震載荷進(jìn)行分析，并通過分析來合理地簡化其設(shè)計(jì)計(jì)算過程。

2 塔器的自振周期

風(fēng)戴荷和地震載荷都屬于動(dòng)載荷。與靜載荷不同，動(dòng)載荷作用于塔上會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力，使塔產(chǎn)生振力。而這種振動(dòng)不僅與載荷的大小、載荷的作用方式、載何的變化規(guī)律有關(guān)，同時(shí)與塔的自由振動(dòng)周期也密切相關(guān)。因此，在計(jì)算風(fēng)載荷及地震載荷之前，必須先確定塔的自振周期。

從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)可知，塔設(shè)備是一個(gè)具有無限個(gè)自由度的體系，因此它有無限個(gè)自振頻率（周期）。其中最低頻率w1 稱為基本頻率，其它統(tǒng)稱為高頻率。由基本頻率求得的周期為基本周期，由高頻率求得的分別為第二振型周期、第三振型周期……或統(tǒng)稱為高振型周期。體系的自振周期是一個(gè)常數(shù)，它取決于體系的剛度和質(zhì)量大小。外界干擾力只能影響體系的振幅，不能改變其自振周期，自振周期與質(zhì)量的平方根成正比，與剛度的平方根成反比。因此，要改變體系的自振周期，可以采用改變體系的質(zhì)量與剛度比值的辦法來實(shí)現(xiàn)。

在工程設(shè)計(jì)中，通常把無限自由度體系的塔器簡化為若干段來計(jì)算。由于塔設(shè)備的振動(dòng)以第一、第二振型最為重要，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》中可將直徑、厚度或材料沿高度變化的塔器視為一個(gè)多質(zhì)點(diǎn)體系，其基本自振周期T1按式（16）計(jì)算。直徑、厚度相等的塔容其基本自振周期T1按式（19）計(jì)算。第二振型的自振周期近似取T2= T1/6求得。

3 風(fēng)載荷

風(fēng)載荷是安裝在室外的塔器的主要載荷之一。它除了使塔產(chǎn)生應(yīng)力和變形以外，還使塔體產(chǎn)生沿風(fēng)向（縱向）和垂直于風(fēng)向（橫向）的振動(dòng)。同時(shí)，過大的塔體應(yīng)力會(huì)造成塔體的強(qiáng)度和穩(wěn)定失效；過大的撓度不僅會(huì)使塔的分離效率降低，也使偏心彎矩增大，影響操作人員安全。如發(fā)生共振，便會(huì)造成塔體的破壞。由于風(fēng)載荷是室外塔設(shè)備破壞的重要原因，因此，必須重視風(fēng)載荷的計(jì)算。

當(dāng)空氣流沖擊塔設(shè)備時(shí)，氣流中心部分速度消失，其動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，此靜壓能即風(fēng)壓?；撅L(fēng)壓q0系指速度壓，，式中υ0是基本風(fēng)速。ρ是空氣密度，隨當(dāng)?shù)睾０胃叨燃皽貪穸榷?，但制定基本風(fēng)壓采用統(tǒng)一的ρ=1.25kg/m3（相當(dāng)于一個(gè)大氣壓下，100C時(shí)的干燥空氣密度）。基本風(fēng)壓規(guī)定是利用建筑物所在地區(qū)10m高度處50年一遇10min最大平均風(fēng)速作為基本風(fēng)速υ0。某地區(qū)的基本風(fēng)壓值可按資料查詢，也可通過相關(guān)公式用計(jì)算求得。

風(fēng)速隨高度而變化，離地越高，風(fēng)速越大。其主要原因是氣流在流動(dòng)運(yùn)行過程中，受到地面的摩擦，消耗了能量，使速度降低。離地越高，氣流受地面影響越小，所以風(fēng)速隨高度而增大。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，引入?yún)?shù)fi來表征風(fēng)壓高度的變化，即在一定的地表粗糙度的條件下，風(fēng)壓是隨著高度變化而變化的。

對(duì)于穩(wěn)定的風(fēng)壓作用于不同形狀的設(shè)備的表面時(shí)，它的分布情況是不同的，它與設(shè)備的形狀有關(guān)。對(duì)此可用空氣動(dòng)力系數(shù)K1來表示。對(duì)圓筒形的塔設(shè)備，通常取K1=0.7。 。

對(duì)于高塔，風(fēng)是主要載荷。因此，僅根據(jù)風(fēng)是在穩(wěn)定情況下的靜力作用這一假定，按風(fēng)壓靜力作用計(jì)算高塔是不夠的，設(shè)計(jì)高塔時(shí)，除必須計(jì)算沿平均風(fēng)速變化的工況外，還應(yīng)考慮穩(wěn)定的氣流上有附加陣風(fēng)作用，它所引起的風(fēng)壓脈動(dòng)是隨機(jī)的，這些力對(duì)塔產(chǎn)生動(dòng)力作用。對(duì)任一高度的風(fēng)壓都可分解為穩(wěn)定風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓兩部分。穩(wěn)定風(fēng)壓看作靜力，它對(duì)塔設(shè)備任一計(jì)算段產(chǎn)生靜載荷用Pji 表示（ Pji=K1fiq0Ai ）。 脈動(dòng)風(fēng)壓引起塔設(shè)備沿風(fēng)向振動(dòng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，可將其動(dòng)力部分折算為靜載荷PKZ。對(duì)塔設(shè)備任一計(jì)算段PKZi=ξmiPji 其中動(dòng)力系數(shù)ξ與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有關(guān)，即與構(gòu)件的自振周期及阻尼有關(guān)，脈動(dòng)系數(shù)m是隨地面高度而變化的函數(shù)。因此，某一計(jì)算段總的風(fēng)載荷為Pji+PKZi=K1（1+miξ）fiq0A把 （1+miξ）用 K2i來代，K2i即為本段的風(fēng)振系數(shù)。

Ai（m2）為迎風(fēng)面積，指塔設(shè)備受風(fēng)部分在垂直風(fēng)向上某計(jì)算段的有效直徑 Dei（m）與高度hi（m）的乘積即 Ai=Dei hi ，有效直徑是指包括塔體、保溫層、扶梯、操作平臺(tái)、管線及保溫層等所有受風(fēng)構(gòu)件迎風(fēng)寬度總和。

綜合上述分析，在全面考慮了各種因素的影響后，可用下列公式計(jì)算塔設(shè)備上某一段的風(fēng)載荷：Pi= K1K2iq0fiDeihi

此外，在設(shè)計(jì)高塔時(shí)，還應(yīng)考慮振動(dòng)情況下的失穩(wěn)問題。我們知道，當(dāng)風(fēng)吹向塔體時(shí)，平行的氣流受到干擾，在塔體背風(fēng)面的兩側(cè)交替形成旋渦，而旋渦的出現(xiàn)和消失，則引起塔體兩側(cè)壓力的改變，迫使塔體發(fā)生垂直于風(fēng)向的橫向振動(dòng)。在某一風(fēng)速下，當(dāng)旋渦出現(xiàn)或消失的周期與塔體的自振周期接近時(shí)，就發(fā)生共振，甚至因而導(dǎo)致嚴(yán)重破壞。

當(dāng)氣流繞過塔體時(shí)，氣流由塔的最前端向最外側(cè)及后側(cè)流動(dòng)過程中，速度先逐漸加強(qiáng)后逐漸減弱。根據(jù)伯努利定律，氣流的動(dòng)能和靜壓能也相互轉(zhuǎn)換。因此，在塔的側(cè)后方的靜壓較大，它促使氣流向反方向流動(dòng)，并使邊界層增厚，形成旋渦。旋渦逐漸加大，最后脫離塔體表面，匯入背風(fēng)側(cè)的氣流中去。在旋渦脫離塔表面時(shí)，總是某一側(cè)先失去平衡而脫離，此時(shí)另一側(cè)的旋渦還在形成并增大，如此交替形成有規(guī)律的，且分別為順時(shí)針和逆時(shí)針方向的兩行旋渦尾流。這稱為卡曼渦街。它的產(chǎn)生和逸散有一定的頻率，此頻率與風(fēng)速和塔體外徑有關(guān)。當(dāng)塔體兩側(cè)交替形成旋渦時(shí)，它對(duì)氣流阻力也有周期性變化。形成旋渦的一側(cè)，阻力大，氣流速度小，靜壓能高，給塔以推力；同樣，另一側(cè)形成時(shí)也同樣給塔以推力，這樣塔體就處于交替的垂直于風(fēng)向的推力之中而產(chǎn)生橫向振動(dòng)。當(dāng)塔體一側(cè)推力的變化周期與塔自振周期相近時(shí)，塔便產(chǎn)生共振，從而危及塔的安全。（其發(fā)生共振時(shí)的臨界風(fēng)速可按V=5D0/T 來計(jì)算）。因此在塔器的強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核時(shí)，還應(yīng)該考慮由共振推力引起的彎矩的作用。將此合成彎矩以及地震組合彎矩，分別加上偏心彎矩進(jìn)行比較取其中較大者，用于塔體強(qiáng)度和穩(wěn)定校核。如果經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)不足時(shí)，可采用增加塔器壁厚來改變其自振周期；增加塔徑，以提高臨界風(fēng)速；合理布置塔體上管道、平臺(tái)、扶梯，以破壞周期性旋渦的生成；沿塔體四周焊一些螺旋形板，消除旋渦形成或改變旋渦逸散方式等方法來解決。

4地震載荷

當(dāng)?shù)貧ぴ陂L期運(yùn)動(dòng)變化過程中積聚的能量超出巖層的強(qiáng)度極限時(shí)，所引起的巖層突然斷裂或錯(cuò)位，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，以彈性波的形式傳到地面，地面也隨之運(yùn)動(dòng)，這就是地震。它具有突發(fā)性和強(qiáng)大的破壞性。因此，我們?cè)谶M(jìn)行地面上的構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程中，必須考慮可能的地震載荷的影響。

要研究地震載荷對(duì)構(gòu)件的影響，首先應(yīng)了解抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，它是由實(shí)際地震反應(yīng)譜經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析、經(jīng)驗(yàn)地綜合判斷后加以規(guī)定的，在工程應(yīng)用中一般不用反應(yīng)譜本身，而是采用地震動(dòng)力系數(shù)β 譜，反應(yīng)譜體現(xiàn)了強(qiáng)震地面的振幅和頻率特性。因此對(duì)強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)有影響的因素，都會(huì)影響反應(yīng)譜的特征。所以我們?cè)趹?yīng)用反應(yīng)譜進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意其影響因素。由統(tǒng)計(jì)分析可知，對(duì)于等地震烈度來說，來自近距離中強(qiáng)地震的影響和來自遠(yuǎn)距離強(qiáng)烈地震的影響，兩種頻譜特性是不同的，因此要考慮本地區(qū)是近震區(qū)還是遠(yuǎn)震區(qū)。從大量的震害實(shí)例表明，在地震強(qiáng)度相同情況下，由于場地條件不同，也會(huì)對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生不同的破壞作用。堅(jiān)硬的場地卓越周期較短，與上部周期較短的低矮脆性結(jié)構(gòu)發(fā)生共振作用，會(huì)促進(jìn)其破壞。同樣，軟厚場地周期較長，與位于其上的周期較長的高柔構(gòu)件共振也會(huì)加大破壞。因此要為不同的場地進(jìn)行分類，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中常用的土地類別是以不同的場地卓越周期為劃分依據(jù)的，它同時(shí)反映了場地剛度和厚度的影響。必須根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況合理地選用。

在運(yùn)用地震載塔公式對(duì)塔器進(jìn)行計(jì)算時(shí)，還應(yīng)考慮高振型的影響。由于塔器屬于無限自由度體系，它具有無限多振型，且各振型是同時(shí)出現(xiàn)的。對(duì)于高振型，因衷減很快或?qū)?yīng)其產(chǎn)生的應(yīng)力較小，可忽略不計(jì)。但對(duì)于高柔的塔器來說，它的第一周期很長，而第二或第三周期卻接近地震的主周期，因此有必要考慮第二或第三振型。在NB/T47041-2014（JB/T4710）《塔式容器》中當(dāng)塔器H/D>15，且H>20m時(shí)，還應(yīng)考慮高振型的影響。此外，豎向地震力對(duì)塔器的影響要小于水平地震作用，一般不考慮。在NB/T47041-2014（JB/T4710）《塔式容器》》中8度、9度地震設(shè)防烈度地區(qū)才考慮上下兩方向的垂直地震力作用。

5結(jié)束語

由以上分析可以看出，對(duì)風(fēng)載荷的確定準(zhǔn)確與否，將極大地影響塔的安全性及經(jīng)濟(jì)性。同樣，地震載荷、偏心載荷等附加載荷對(duì)塔器的設(shè)計(jì)也極其重要。尤其當(dāng)塔器的內(nèi)壓較小，且高度較高時(shí)，風(fēng)載荷、地震載荷往往成為塔式容器設(shè)計(jì)的控制因素，所以對(duì)影響風(fēng)載荷、地震載荷大小的各參數(shù)的選擇及計(jì)算就顯得尤為關(guān)鍵。

因此，我們只有深入掌握各參數(shù)的涵義，加上更周詳?shù)目紤]，才能使設(shè)計(jì)出來的塔器安全、可靠地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 《塔式容器》 NB/T47041-2014（JB/T4710）.