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参考文献:
[1] 张明, 褚建伟. GB 150—2011、ASME Ⅷ-1及EN 13445 压力容器设计中地脚螺栓的受力分析及应力判定的比较[J]. 化工设备与管道, 2019, 56(4).
[2] 塔式容器:NB/T47041-2014[S].
[3] 卧式容器:NB/T47042-2014[S].
1. 受力分析
裙座的地脚螺栓,用于塔体抗倾覆时承受拉应力,受力最大的是位于风向和地震方向最外端的地脚螺栓,而其他位置的地脚螺栓受力将依次减小。一旦受力最大的地脚螺栓因过载而屈服的话,其他螺栓承受的载荷将重新分配,而不致使整个塔器立即发生倾倒。所以,裙座的地脚螺栓以承受由风载荷或地震载荷引起的拉应力为主。
对于H/D>5,即适用NB/T47041正文的塔器,应按标准7.13.2校核螺栓承受最大的拉应力。但对于H/D≤5的塔器,应按NB/T47041的附录E.4校核地脚螺栓剪应力。
鞍座的地脚螺栓,应考虑地震载荷工况下的剪应力和拉应力,当地震载荷引起的水平地震力大于底板与基础间的静摩擦力时,应计算由地震力引起的地脚螺栓剪应力,同时还应计算由横向倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力。一般来说,由地震载荷引起的倾覆力矩往往不足以使卧式容器有翻倒的危险。所以,鞍座的地脚螺栓以承受由地震载荷引起的剪应力为主。
地脚螺栓拉应力、剪应力按NB/T47042的7.8.3进行校核。
耳座的地脚螺栓,应考虑风载荷和地震载荷工况下的拉应力和剪应力,当计算地脚螺栓的拉应力时,应考虑设备安装(此时内件和保温未安装,设备重量最小)和风载荷的组合苛刻工况,此时最大的拉应力在向风侧,该区域产生的弯矩最大,地脚螺栓受力最苛刻,耳座极可能翻倒。所以,耳座的地脚螺栓以承受由风载荷引起的拉应力为主。
在耳式支座标准没有地脚螺栓校核的内容,可参考化工设备设计全书之《化工容器》的8.1。
支腿的地脚螺栓,文献[1]没有提及,同样可参考化工设备设计全书之《化工容器》的8.2。支腿的地脚螺栓的作用在于,使容器在水平力和外力矩的作用下不致倾倒,当容器空载时垂直载荷最小,最有可能倾覆。应校核地脚螺栓在最小垂直载荷、最大水平力和外力矩联合作用下的拉应力。
如果容器自身垂直载荷足够大,地脚螺栓中不存在拉应力(数值为负或零),也应加设地脚螺栓用于固定。
2. 地脚螺栓许用应力
众所周知,法兰等用于承压密封的螺栓材料,其许用应力的安全系数远远高于对地脚螺栓,即用于承压密封的螺栓材料具有较低的许用应力。两者最大的区别在于,如果法兰螺栓有一个屈服,将无法在各个螺栓中重新分配载荷,而是会直接导致法兰密封失效。事实上,所有法兰螺栓是均匀承载的,如果一个螺栓屈服,也就意味着所有螺栓屈服。
GB 150、ASME、EN等标准中地脚螺栓许用应力的取值,不尽相同,见下表。文献[1]作者认为,因为各国材料、工程经验上的差异,所无需纠结于哪个标准保守,哪个标准冒进。
常用的地脚螺栓材料为GB/T 700《碳素结构钢》的Q235和GB/T 1591《低合金高强度钢》的Q345。
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