浅析高径比为15临界值时塔器横风向风振计算

中国成达工程有限公司 成都 610041

随着国民经济的快速发展，化工装置的生产能力不断提高，塔器作为化工装置中的核心设备，大型化已成趋势。塔器设备的计算过程比较复杂，不仅要进行压力载荷的计算，还要进行风载、地震载荷等的计算。如何在大型化装置中设计出合理、安全、可靠的高塔，是众多化工设备设计者共同面对的问题。

通常，受风载荷的影响，塔器振动分为两种情况：一种是顺风向振动，即塔器在风力的作用下，沿风向平行来回摆动；另一种是横风向振动，即诱导振动，塔器沿与风向垂直方向上的来回摆动。相比而言，诱导振动机理复杂，理论计算难免同实际情况存在偏差，且诱导振动对塔的危害性更大一些。因此在《塔式容器》NB/T47041-2014标准中规定了当塔的高径比H/D>15且H>30m时，还应计算横向风振。本文以某项目中一台高径比为15临界值的塔器为例，对塔器塔顶振幅的计算结果进行分析，发现在相同塔高的情况下，由于裙座形式的不同造成H/D的不同，从而在计算软件SW6中进行了不同模式的校核计算，导致计算结果的不同。针对此种情况，笔者提出了解决思路和方案，避免工程设计中的不安全因素。

1 塔器概况

某塔内径为5708mm,筒体长度为75520mm,裙座高度为8840mm,设计压力为0.35MPa(G)/FV，设计温度为210℃，材料为Q345R。塔器所在地抗震设防烈度为7度，设计地震加速度值为0.1g，基本风压为0.4kN/m2。塔器外形见图1。

图1 塔器外形图

2 塔顶振幅计算分析

2.1 塔顶振幅计算

表1 塔顶振幅及检修时自振周期

2.2 计算结果分析

由表1可知，当采用圆锥形裙座时，塔顶在操作工况和检修工况下的塔顶振幅计算结果为0，这是因为在此模式下，计算软件仅对顺风向风载荷进行了计算，而未考虑横风向风载产生的塔顶振幅。依据《塔式容器》NB/T47041-2014标准7.6.2条，当高径比H/D>15且H>30m时，才需对塔器的横向风振进行核算。根据标准释义：对于等直径的塔器，此处为公称直径，对于不等直径的塔，此处应为各直径的加权平均值：

(1)

式中，D1、D2为不等直径各段的塔体公称直径，mm；l1、l2为不等直径各段的长度，mm；H为塔式容器高度(含裙座高度),mm。

当裙座型式为圆筒形裙座时，H取85851mm，D取5708mm，高径比计算得：

(2)

依据《塔式容器》NB/T47041-2014标准及释义，高径比H/D>15且H>30m时，需对塔器的横向风振进行核算。

当裙座型式为圆锥形裙座时，H取85851mm，塔器的等效内径D按式(1)计算得：

(3)

(4)

依据《塔式容器》NB/T47041-2014第7.6.2条，高径比H/D≤15时，无需对塔器的横向风振进行核算。因此裙座为圆锥形工况的计算结果中塔顶振幅为0。

虽然标准规范中对高径比H/D<15且H>30的塔器不考虑横向风振动，但在工程实际中的高塔(H>30m)是有可能发生横风向振动，不仅会增大塔顶振幅，对塔器基础载荷也会增加，如果在设计中忽略此影响，存在安全隐患。

3 共振的判别

塔器共振时的风速称为临界风速。临界风速按下式计算：

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(5)

式中，D0为塔壳的外直径，取5772mm；St为斯特罗哈数，取St=0.2；Ti为第i振型的自振周期，按《塔式容器》NB/T47041-2014的7.4条计算得第一振型的自振周期为2.1s；第二振型的自振周期为0.35s。

塔器顶部风速按下式计算：

(6)

式中，ft为风压高度变化系数，此处取1.992；q0为基本风压，取0.4kN/m2。

若vH

塔器第一振型时的临界风速：

(7)

塔器第二振型时的临界风速：

(8)

塔器顶部风速：

(9)

通过比较式(7)，(8)(9)可知，该塔器应该考虑第一振型的振动。

在《建筑结构荷载规范》GB50009中也有类似规定：对于圆形截面的结构，应按规定对不同雷诺数Re进行横风向风振的校核。当Re≥3.5×106且顶部风速的1.2倍大于vc1，可发生跨临界的强风共振，雷诺数按下式计算得：

Re=69vD0=69×35.72×
5772=1.423×107≥3.5×106

(10)

式中，V为塔器顶部风速，取35.72m/s；D0为筒体外径，取5772mm。

综上所述，这台塔器应当进行横风向风载计算。

4 解决措施

根据前述分析，笔者设计了三种方案对这一台塔器进行计算，通过SW6计算所得结果汇总见表2。

其中方案1，塔径、塔高不变，采用圆筒形裙座；方案2，塔径、塔高不变，采用圆锥形裙座；方案3，塔径不变，塔高增加500mm。按式(1)计算得三种方案的H/D值也列于表2。

表2 计算结果汇总表

从表2可以看出，对于高径比在15临界值附近的塔器，裙座采用圆锥形时，可以减小塔顶挠度，有利于改善塔器的受力状况，操作平稳，更好地满足工艺要求。但由于塔形系数(H/D值)会因此改变，可能导致计算程序中不再对横风向风载进行计算，使计算结果中的基础载荷值偏低。在这种情况下，设计者可以采取适当措施，如增加一段塔高，改变H/D值，即可利用计算软件进行更符合实际情况的计算，提高设计效率及结果的准确性。实际工作中，采用方案3进行设计，是兼顾了安全性与经济性的最佳方案。

5 结语

在塔器设计时，设计者一般会选择一种裙座型式进行设计计算。本案例中的这台塔器，当采用圆锥形裙座时，如直接引用SW6软件的计算值作为基础载荷，会导致设计基础时载荷偏小，有安全隐患。

综上所述，结合本实际案例，对于塔高H>30m,高径比H/D在15临界值附近的塔器，根据临界风速和塔顶风速判定是否考虑塔器的横风向共振动问题，同时根据《建筑结构荷载规范》GB50009中规定, 对雷诺数Re进行计算比较，如同时满足以上条件但H/D值小于15，建议适当增加塔高，使H/D>15，以得到更接近工程实际情况的计算模型，设计结果也更趋经济且安全。