立式容器支腿的设计与计算

 引言
在立式设备支撑设计中，支腿式支撑是常用的型式之一。然而，在我国现行支腿标准JB/T4712.2-2007中，选用标准支腿有一定局限性，其局限性主要有以下几个方面：①工程直径限制；标准规定了公称直径DN1600以内的立式容器支腿系列，但在实际工程中，公称直径超界的情况时有发生，在一些大直径设备中，为了保证足够的底部空间，还得选用腿式支座。②地质条件及设计温度限制；标准中规定设计温度不高于200℃，风压不高于800Pa，抗震设防烈度不高于8度等，事实上在设计温度高于200℃或气象地质条件超过此范围时，支腿式支撑也是可用的。③支腿高度及容器高度的限制；这两个高度在标准中是互相对应的，然而，在实际工程设计中，经常会遇到因为工艺需要而增大支腿或设备高度的情况，这时有些设计者通过选用大一到两级规格支腿，这样可能会造成支腿尺寸偏大，结构不太合理。现在设计者大都通过强度计算软件对容器进行强度校核，如果设计者掌握了支腿的计算方法，这些问题就能迎刃而解。
1 计算方法简介
支腿的计算内容包括：①支腿稳定及强度计算；②地脚螺栓的强度计算；③基础板的强度计算；④支腿装配焊缝的强度计算。现行支腿标准在附录中给出了一种支腿的计算方法，对以上四种计算做出了具体说明。支腿式容器主要载荷见图1，支腿的计算主要是围绕水平载荷FH和垂直载荷W1进行的。
1.1 稳定及强度计算 在支腿计算中，大量实例表明支腿压应力是支腿设计的控制因素。在支腿压应力计算中，应考虑设备水平载荷FH和垂直载荷W1；这里需要说明的是由于在试压工况下，不考虑地震力和风载荷作用，因此，试压工况仅有垂直载荷，因此在支腿压应力设计计算时，计算的是操作工况。单根支腿的压应力计算公式为：？滓c=■，其中FL2=■-■ 式中：σc—单根支腿压应力；FL2—单根支腿垂直反力；FH—水平载荷；HC—基础顶面至设备质心高度；N—支腿个数；DB—支柱中心圆直径；W1—垂直载荷；A—单根支腿的横截面积。
支腿稳定性计算还包括支腿的弯曲计算，弯曲计算其实就是支腿弯矩的计算，由于水平载荷FH会对地面引起倾覆力矩，当有偏心载荷时，其偏心距应计入水平载荷对地面引起倾覆力矩；同理，由于支腿顶部也是会引起倾覆力矩，这个力矩主要因为单根支腿垂直反力引起，由此，支腿两端将产生反力矩，据此可计算支腿的弯曲应力：
σb=■ 式中：σb—支腿弯曲应力；R—每个支腿水平反力；L1—基础班下表面至支腿装配焊缝中心的长度；e—壳体外壁至支柱形心的距离；WMIN—单根支腿的最小抗弯截面模量。
需要说明的是，在支腿压应力和弯曲计算中，支腿的长细比起着主要作用，长细比愈大，支腿的临界许用应力越小，同时又加大了倾覆力矩的影响，容易导致支腿弯曲；因此，对支腿的长细比应予控制；长细比计算公式为：
λ=■ 式中：λ—支腿长细比；k—有效长度系数，与端部固定形式有关，一般为常数；IMIN—支腿最小惯性矩。
因此在选择支腿时，可以从两方面降低支腿长细比：①应尽可能选择较大IMIN，在同样的截面积下，回转半径较大者，IMIN也会较大，这样会提高支腿的稳定性。②各支腿间采用斜拉杆支撑，这样相当于改变了端部固定形式，因为一般情况下，支腿端部固定形式可理解为一端固支一端简支，这时的k值一般取0.7，当采用斜拉筋支撑时，可理解为上下端同时固支，k值取0.5，k值下降从而提高了支腿稳定性。
除了压应力及弯曲计算外，稳定性及强度计算还应包括支腿剪切计算，剪切应力是由水平载荷引起的，计算公式为：？子=■；式中τ—支腿剪切应力。
1.2 地脚螺栓强度计算 地脚螺栓强度计算包括拉应力计算和剪切应力计算，其计算公式为：
σbt=■-■
？子bt=■
式中：σbt—地脚螺栓拉应力；Db—地脚螺栓中心圆直径；nbt—一个支腿地脚螺栓数；Abt—一个地脚螺栓的有效截面积；τbt—地角螺栓的剪切应力。
由于在实际工程应用中，同等规格的容器，单纯通过改变地脚螺栓规格所引起的拉应力和剪切应力变化并不大，在很多情况下，地脚螺栓的强度富裕量是很大的，地脚螺栓仅起固定作用。
1.3 基础板强度计算 基础板强度计算主要是基础压缩应力的计算，基础的压缩应力主要由容器单根支腿垂直反力引起，计算方法同支腿的压应力类似，只是把支腿截面积换为了基础板的面积：σc1=■ 式中：σbt—基础上压缩应力；b1—基础板长度；b2—基础板宽度。
在实际工程设计中，判断基础压缩应力合不合格是由土建专业完成的，设备专业只需根据基础压缩来计算基础板的厚度：
σ■=B■+Cb 式中：δb—基础板厚度；B—支腿到基础板边缘别的最大长度；[σ]—基础板许用应力；Cb—基础板腐蚀裕量。
降低基础压缩应力的最有效方法就是增大基础板的面积。在工程实际应用中，我们如果选用的是大面积的基础板，还会给土建专业带来方便。
1.4 装配焊缝的强度计算 装配焊缝的强度计算是对与本体装配焊缝的强度计算，计算主要包括焊缝弯曲应力计算、焊缝剪切应力以及当量应力的计算，其计算公式如下：σf=■ τ1=■ σz=■
式中：R—每个支腿的水平反力；Z—焊缝的抗弯截面模量；τ1—支腿装配焊缝的剪切应力；A1—焊缝的横截面积；σz—支腿装配焊缝的当量应力。
2 结束语
很多设计者在立式容器使用条件超出标准支腿选用范围时，不知该如何选用支腿，本文详细介绍了立式容器支腿的计算方法，以供设计者在使用时参考，只有掌握了支腿的计算方法，设计有据可依，才能从根本上解决问题，使支腿设计变的更合理。