耳式支座支撐桿設(shè)計

王 玉*

（沈陽匯博熱能設(shè)備有限公司）

對立式容器來說，支座安裝形式主要包括腿式、耳式、支承式和裙座[1]。腿式、支承式和裙座通常和容器本體下部焊接在一起。腿式、支承式支座一般用于罐體類設(shè)備；而裙座結(jié)構(gòu)承載能力較強(qiáng)，多用于高聳塔器[2]。與上述支座不同，耳式支座多位于設(shè)備的中部偏上，穩(wěn)定性好，是立式管殼式熱交換器[3]普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，通常安裝在混凝土或鋼結(jié)構(gòu)平臺上[4]。當(dāng)無平臺可用時，應(yīng)設(shè)計獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)。

圖1 所示為某裝置中的堿加熱器，該設(shè)備公稱直徑為500 mm，設(shè)備總質(zhì)量為2 700 kg，管、殼程設(shè)計壓力均為1.0 MPa,共4 個支座。地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)備安裝在室內(nèi)。

考慮到圓管截面軸心壓桿的承載能力較高，支撐桿擬設(shè)計成鋼管構(gòu)件，構(gòu)件由鋼管和上、下連接板焊接組合成型。上、下連接板安裝尺寸，均需與耳座底板一致，并分別與耳座、地基基礎(chǔ)連接緊固。鋼管材料初選20#鋼，且需要確定鋼管的規(guī)格。

1 支座載荷

根據(jù)牛頓第三定律，支撐桿與耳式支座所承受的載荷是一樣的。耳式支座實(shí)際承受載荷可按式（1）計算：

式中：Q——支座實(shí)際承受的載荷，N；

D——支座安裝尺寸，為870 mm；

g——重力加速度， g =9.81 m/s2；

Ge——偏心載荷（包括管道推力引起的當(dāng)量載荷），N；

Se——偏心距（包括管道推力引起的當(dāng)量偏心距），mm；

h——水平力作用點(diǎn)至底板高度，為256.5 mm；

k——不均勻系數(shù)，安裝3 個支座時，k=1；安裝3個以上支座時，k=0.83；

m0——設(shè)備總質(zhì)量（包括殼體及其附件，內(nèi)部介質(zhì)及保溫層的質(zhì)量），為2 700 kg；

n——支座數(shù)量，共4 個；

p——水平力，取pw和pe+0.25pw的大值，N；

pw——水平風(fēng)載荷，室內(nèi)安裝時取0 N。

Ge——豎直向下的偏心載荷為零（殼程接口N1，N2因殼程壓力產(chǎn)生平衡力[6]FN1=4 654.27 N,FN2=1 734.07 N， N3，N4接管規(guī)格相同，平衡力相互抵消）；

Se——豎直向下偏心距為零（但對應(yīng)平衡力FN1=4 654.27 N，F(xiàn)N2=1 734.07 N的偏心距分別為1 787 mm，2 300 mm）。

將上述數(shù)據(jù)代入式（1）可得：

2 材料力學(xué)設(shè)計方法

在撓度較小[7]的情況下，由歐拉公式確定的臨界力是有實(shí)際意義的。可以將上面求得的支座載荷，乘以一個足夠大的系數(shù)，來求取支撐鋼管規(guī)格；也可以先假定鋼管規(guī)格，求取極限承載能力，再與支座載荷進(jìn)行比較。初步選用20#鋼管，規(guī)格為 89 mm×6 mm。

但應(yīng)用歐拉公式前，應(yīng)驗(yàn)算所選支撐鋼管是否在歐拉公式的適用范圍內(nèi) ：

式中：Fcr——臨界壓力，MPa；

E——鋼管的彈性模量，MPa；

I——壓桿的截面慣性矩，I=π（D4-d4）/64=1 353 595.13 mm4；

μ——長度因數(shù)，無量綱；

l——壓桿長度，mm。

將上述數(shù)據(jù)代入式（3）可得：

3 按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，軸心受壓構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度計算[11]。剛度計算主要是確保構(gòu)件的長細(xì)比λ不應(yīng)超過規(guī)定的容許值，其他各項(xiàng)均不超出承載能力極限狀態(tài)。

軸心受壓構(gòu)件的承載能力大多由其穩(wěn)定條件決定，截面強(qiáng)度一般不起控制作用。

除可考慮屈服后強(qiáng)度的實(shí)腹式構(gòu)件（鋼管屬于此類型之一）外，軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性計算應(yīng)符合式（4）要求：

可以看出，選鋼管材料為20#鋼時， 89 mm×6 mm 規(guī)格可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

然而，對于內(nèi)力較小的軸心受壓構(gòu)件，如果按照整體穩(wěn)定的要求來選擇截面尺寸，會出現(xiàn)截面過小導(dǎo)致構(gòu)件過于細(xì)長，剛度不足，使桿件易在運(yùn)輸、安裝、使用期間產(chǎn)生彎曲，影響構(gòu)件的承載能力。為此，規(guī)范還規(guī)定，對柱和主要壓桿，其容許長細(xì)比λ=150，對次要構(gòu)件（如支撐壓桿等）取λ=200；但當(dāng)桿件內(nèi)力設(shè)計值不大于承載能力的50%時，容許長細(xì)比值可取200。

按上述要求綜合考慮，同時兼顧支座底板螺孔位置，最后選擇規(guī)格為 108 mm×6 mm 的20#鋼管，其λ≈185。為了保證支撐鋼管的穩(wěn)定性，在支撐鋼管的中部位置，還使用了管夾對鋼管約束，管夾焊牢在剛度很大的熱交換器殼體上。

4 結(jié)論

選用鋼管材料為20#鋼時， 89 mm×6 mm 規(guī)格均能滿足歐拉公式和鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性要求。但考慮到對長細(xì)比許用值λ的影響，最終選擇的支撐鋼管規(guī)格為 108 mm×6 mm。

當(dāng)選用安全裕度不是很大的鋼管支撐時，也可在熱交換器殼體上焊接用于約束鋼管變形的管夾，并盡可能將其安放在支撐桿的中間位置，利用熱交換器殼體剛度大的特點(diǎn)來提高支撐桿的穩(wěn)定性。為保持支撐鋼管的直線度，應(yīng)采用整根鋼管制造支撐構(gòu)件，不允許拼接。

與混凝土或鋼結(jié)構(gòu)平臺相比，獨(dú)立設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)具有造價低，安裝高度調(diào)節(jié)容易，可以較好地利用裝置的小面積空閑場地，有一定的推廣價值。