第54卷第1期2017年2月化工设备与管道PROCESSEQUIPMENT&PIPINGVol.54No.1Feb.2017关于NB/T47041《塔式容器》附录E——地震底部剪力法适用性的讨论王际强,何卉伦,包佳明(杭州福斯达深冷装备股份有限公司,杭州311100)摘要:在实际工作中发现塔式容器自振周期计算值突变现象,深入寻找计算公式来源,发现NB/T47041附录E自振周期的计算公式其实仅适用于框架塔,并不适用于其他塔型,尤其是落地塔。对高径比接近5,直径较大的落地式塔式容器,按NB/T47041附录E进行抗震计算是不合适的,也是不安全的。对此类塔,建议按GB50009的规定进行抗震计算。关键词:塔式容器;自振周期;地震;计算;安全中图分类号:TQ050.2;TH121文献标识码:A文章编号:1009-3281(2017)01-0006-003收稿日期:2016-09-12作者简介:王际强(1971—),男,四川威远人,高级工程师。从事于低温压力容器、大型低温液体储罐的设计工作。最近在利用强度计算软件SW6对一台塔式容器进行抗震优化计算时,发现了一个塔式容器自振周期计算值突然变化的奇怪现象:容器为等直径等厚度落地塔,直径Di=4300mm,筒体有效厚度t=10.7mm,设计压力P=-0.1MPa,整个塔器的操作质量m0=233755kg,塔器总高度H=21557mm,裙座高度h=1730mm,抗震设防烈度:8度(0.2g)。SW6计算出来的基本自振周期T1=0.333s,裙座壳底部截面的地震弯矩ME=4.58414×109N·mm;当容器高度减少100mm,即塔器总高度H=21457mm时,程序计算出来的基本自振周期T1=0.603s,裙座壳底部截面的地震弯矩ME=3.06128×109N·mm。几乎是同样一个容器(后者仅高度减少了100mm),自振周期和地震弯矩却引起了突变(后者周期为前者的2倍),特别是在高度降低的情况下,自振周期反而大幅增加,这与实际情况不符。1原因分析关于塔器强度计算,现行SW6是按照GB150—2011及NB/T47041—2014[1]标准编制的。NB/T47041规定,对于H/D≤5的塔式容器,自振周期按附录E(以下简称附录E)计算,即:..TDH05604010132×=+-(1)当H/D>5时,等直径等厚度塔可按该标准式(19)计算,即:.THEeDimH9033101303×δ=-'(2)将上例中塔器总高度H=21457(H/D≤5)代入式(1),将H=21557(H/D>5)代入式(2),分别计算自振周期。结果与SW6的计算值完全吻合。这说明正是由于SW6采用了NB/T47041规定的不同的计算方法和公式,才导致了相近容器自振周期计算值的突然变化。在其他条件不变的情况下,随着塔器高度的降低,自振周期应减小,这种不降反升的突变现象令人难以理解。这里我们不禁要问,附录E的计算公式是怎么来的?标准规定这样计算是否合适、是否足够安全呢?2公式来源及适用范围文献[1]及其释义中没有对式(1)进行详细解释,也没有提及它的来源。笔者查阅了各种资料,发现其最初的来源均指向GB50009—2012《建筑结构荷载规范》[2]附录F,在各种结构基本周期的经验公式中,公式(F.1.2-6)与式(1)完全一样。根据该附录,2017年2月·7·该式适用范围为高耸结构(F.1)中的框架基础塔(塔壁厚不大于30mm)的基本自振周期计算。在GB50761—2012《石油化工钢制设备抗震设计规范》[3]第8.2.4条中,也给出了相同公式,但该条的适用范围为支承在构架上的,高径比小于或等于5,且壁厚小于或等于30mm的直立设备。该标准的条文说明(释义)中明确,该公式是经验公式,是通过对大量安装在构架上的直立设备动力特性的现场实测,并采用数理统计方法得到的。徐至钧对65台框架塔的自振周期和振型进行实测[4],根据实测自振周期进行数理统计分析,提出了自己的自振周期经验公式,并与式(1)进行了比较。从上述三个文献可以看出:式(1)是通过数理统计得出的经验公式,适用于框架塔。没有任何其他文献表明该式可适用于其他类型的塔,特别是常见的落地塔。然而,NB/T47041却仅在第7.4.4条规定:对H/D≦5的塔式容器自振周期可按附录E计算,并没有其他的任何附加条件,因此可理解为式(1)适用于各类塔,包括框架塔、落地塔及其他种类的塔。这与文献[2-4]确定的适用范围完全不一致。3框架塔和落地塔化工、炼油工业中的直立塔设备[5],常见的是落地塔,有时由于考虑到操作或工艺上的需要,采用框架塔(相关简图见文献[2]附录F)。如为了便于集中控制或为了提高减压精馏塔釜液位的压头,可利用钢筋混泥土的圆筒或数个矩形截面的立柱将塔架高,框架的高度可达8~10m,通过地脚螺栓与塔下部的裙座紧固在一起。框架塔的塔体部位通常以弯曲变形为主,而框架部分从整体上看呈剪切变形的特征[4],为此在计算框架塔的自振特性时,应考虑框架塔的弯曲变形和剪切变形(也许正因为框架塔存在剪切变形,才被误引用到文献[1]中)。由于框架基础的存在,框架塔整体刚度减小,自振周期比同等的落地塔增大了很多。地震时,由于自振周期增大,塔体自身地震作用可能会减小(见下节分析),但由于框架提升了高度以及框架自身的作用,框架塔整体的地震作用会增大。4安全性分析4.1地震周期与地震影响系数地震影响系数是反映地震作用的重要参数,其取值除与烈度、阻尼和场地等有关外,还与设备自振周期关系密切,见下图(文献[1]图13):图1地震影响系数曲线Fig.1αη2αmax0.45αmax00.16.0α=[η20.2γ-η1(Ti-5Tg)]αmaxTg5TgT/STTmaxig2αηα=γ()根据该图,可以看到地震影响系数曲线(反应谱)由上升段、平台段、由速度控制的下降段和由位移控制的下降段组成,当自振周期大于场地的特征周期Tg后,地震影响系数随着周期的增加,呈指数规律迅速下降。由此可见,设备自振周期对地震影响系数的巨大影响。4.2地震作用分析对于高径比接近于5的落地塔,自振周期应较小,大体都会落在上述曲线的平台段。但如果按照文献[1]附录E,利用式(1)进行计算,自振周期将偏大很多,其最小值就是0.56s,地震影响系数α基本都会落在速度控制的下降段内(II类场地),这比平台段有显著降低,相应的,水平地震力和地震弯矩都会大幅减小,从而导致塔设备的抗震设计不具备足够的安全性。在上例中,两个几乎相同的塔器(高差100mm),由于计算公式不一样,导致自振周期突变,一个在平台段,一个在指数下降段,前者的地震影响系数α和地震弯矩都是后者的1.5倍。SW6进一步计算,前者的壳体轴向应力为54.5MPa,裙座底部截面轴向应力为53.4MPa,M36地脚螺栓需32只;后者的壳体轴向应力为44.6MPa,裙座轴向应力为41.3MPa,地脚螺栓32只,直径可降为M27。从计算结果可以看出,对于高径比接近于5的容器,如按式(1)进行计算,自振周期将变大,地震弯矩将减小,从而导致其他各项应力计算值也相应降低,计算结果是不安全的。值得注意的是,在更高烈度区域的塔器,由于地震载荷远大于风载荷,地震起主导作用,由于周期的变化,地震弯矩及其他各项计算值将会有更大幅度的降低,计算结果也将更加不安全。王际强,等.关于NB/T47041《塔式容器》附录E——地震底部剪力法适用性的讨论第54卷第1期·8·化工设备与管道4.3附录E的其他问题文献[1]附录E还有一个令人不解的地方,它仅规定在水平地震力大于静摩擦力、即FE>M0gf时,校核地脚螺栓的剪切应力。实际上,这显得多余而没有意义。根据该附录式E.2换算,很容易推导出:要满足FE>M0gf,必须0.85α1>f。这里假设最恶劣工况做验证,取最大设防地震(9度,αmax=0.32),阻尼比取最小0.01,地震周期按该附录取最小0.56s,特征周期取0.4s,此时,...TT085085027412maxigαηα==γ(),均小于附录E规定的钢-钢摩擦系数0.3或钢-水泥摩擦系数0.4,要满足FE>M0gf的前提条件,实际中可能性很小,因而几乎不会有校核螺栓剪力的情况出现。所以,这条规定显得没有实际意义。相反的,本应该进行的壳体、裙座的轴向应力校核,螺栓的拉应力校核等,附录E却把它们都忽略了。事实上,这些零部件的地震作用很大,如前述例子中计算出的地震弯矩及各项应力,其值较大,根本不应该忽略。5解决办法由于框架塔和落地塔巨大差异,不能用框架塔自振周期的计算公式来计算落地塔自振周期。那对于H/D小于5的落地塔,应该怎么进行抗震计算呢?最好的办法当然是采用考虑了剪切变形的自振周期计算公式,但目前在相关标准上找不到这样的公式。建议在标准推出权威公式之前,可按照文献[3]提供的方法进行计算。文献[3]第8.3.2条规定:高度小于等于10m或高径比小于5的直立设备,可采用底部剪力法进行计算,其地震影响系数可取水平地震影响系数的最大值。这条规定避开了自振周期的计算,直接取最大地震影响系数,这是一个看上去较为保守安全的做法。实际上,对于高径比较小,高度又较高的容器,其自振周期大都会落在地震反应谱的平台阶段,地震影响系数取最大值也是合适的,并不会太过于保守。6结论综上所述,文献[1]附录E自振周期计算公式的适用范围不合理,抗震计算过于简单化,对于高径比接近于5、直径较大的落地式塔,采用该附录计算自振周期和进行设备的抗震计算,结果是很不安全的。对于此类塔,建议按文献[3]第8.3.2条进行抗震计算。参考文献NB/T47041—2014塔式容器[S].[1]GB50009—2012建筑结构荷载规范[S].[2]GB50761—2012石油化工钢制设备抗震设计规范[S].[3]徐至钧.65台框架支承式塔设备自振周期的实测与分析[J][4]化工设备设计,1999(4):5-10.聂清德,侯增炎.框架塔的自振周期[J],化工炼油机械,[5]1984,13(3):1-5.DiscussionofApplicabilityofBottomShearForceMethodforSeismicDesignofTower–forAppendixEofNB/T47041“SkirtSupportedVessels”WANGJiqiang,HEHuilun,BAOJiaming(HangzhouFortuneGasCryogenicGroupCo.Ltd,Hangzhou311100,China)Abstract:Inpracticaldesign,itwasfoundthatabruptchangemayoccurinthecalculatedvaluesofthenaturalperiodofskirtsupportedvessels.Bycheckingtheequationforcalculatingnaturalperiod,itwasfoundtheappliedequationshouldbeusedfortheskirtsupportedvesselsanchoredonframe,notforotherskirtsupportedvessels,especiallynotforthevesselsdirectlyanchoredonground.Fortheskirtsupportedvesselswiththeratioofheighttodiametersmallerthan5,theseismicdesignbasedontheequationprovidedinAppendixEinNB/T47041isunsuitableandunsafe.ItwasproposedtocarryoutseismicdesignforthiskindvesselsbasedonequationsprovidedinGB50009.Keywords:verticalvesselssupportedbyskirt;n