固体料仓设计计算.docx
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固体料仓设计计算
固体料仓的校核计算按以下步骤进行:
a)根据地震或风载的需要,选定若干计算截面(包括所有危险截面)。
b)根据JB/T4735的相应章节,按设计压力及物料的特性初定仓壳圆筒及仓壳锥体各计算截面的有效厚度δe。
c)按6.1~6.18条的规定依次进行校核计算,计算结果应满足各相应要求,否则需要重新设定有效厚度,直至满足全部校核条件为止。
固体料仓的外压校核计算按GB150的相应章节进行。
6.1符号说明
A——
特性纵坐标值,mm;
B——
系数,按GB150确定,MPa;
C——
壁厚附加量,C=C1+C2,mm;
C1——
钢板的厚度负偏差,按相应材料标准选取,mm;
C2——
腐蚀裕量和磨蚀裕量,mm;
腐蚀裕量对于碳钢和低合金钢,取不小于1mm;对于不锈钢,当介质的腐蚀性极微时,取为0;对于铝及铝合金,取不小于1mm;对于裙座壳取不小于2mm;对于地脚螺栓取不小于3mm;
磨蚀裕量对于碳素钢和低合金钢、铝及铝合金一般取不小于1mm,对于高合金钢一般取不小于0.5mm。
Di——
仓壳圆筒内直径,mm;
Do——
仓壳圆筒外直径,mm;
Et——
材料设计温度下的弹性模量,MPa;
Ff——
物料与仓壳圆筒间的摩擦力,N;
Fk1——
集中质量mk引起的基本震型水平地震力,N;
FV——
集中质量mk引起的垂直地震力,N;
FVi——
集中质量i引起的垂直地震力,N;
——
料仓底截面处垂直地震力,N;
——
料仓任意计算截面处垂直地震力,仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项,N;
g——
重力加速度,取g=9.81m/s2;
H——
料仓总高度,mm;
Ho——
仓壳圆筒高度,mm;
Hc——
仓壳锥体高度,mm;
Hi——
料仓顶部至第i段底截面的距离,mm;
h——
计算截面距地面高度(见图3),mm;
hc——
物料自然堆积上锥角高度(见图7),mm;
hi——
料仓第i段集中质量距地面的高度(见图3),mm;
hk——
任意计算截面I-I以上集中质量mk距地面的高度(见图3),mm;
hW——
料仓计算截面以上的储料高度(见图7),mm;
——
任意计算截面I-I处的基本振型地震弯矩,N·mm;
——
底部截面0-0处的地震弯矩,N·mm;
——
由偏心质量引起的弯矩,N·mm;
——
任意计算截面I-I处的风力弯矩,N·mm;
——
底部截面0-0处的风力弯矩,N·mm;
——
任意计算截面I-I处的最大弯矩,N·mm;
——
底部截面0-0处的最大弯矩,N·mm;
mc——
仓壳锥体质量与仓壳锥体部分所储物料质量之和,kg;
mmin——
料仓最小质量,kg;
mt——
单位面积的仓壳顶质量与附加质量之和,kg;
mo——
料仓操作质量,kg;
m05——
料仓储料质量,kg;
p——
设计压力,MPa;
po——
设计外压力,MPa;
——
物料在仓壳圆筒计算截面I-I处产生的水平压力,MPa;
——
物料在仓壳圆筒计算截面I-I处产生的垂直压力,MPa;
——
物料对仓壳锥体计算截面a-a处产生的水平压力,MPa;
——
物料对仓壳锥体计算截面a-a处产生的法向压力,MPa;
——
物料对仓壳锥体计算截面a-a处产生的垂直压力,MPa;
——
物料对仓壳锥体大端II-II处产生的法向压力,MPa;
——
物料在仓壳锥体大端II-II处产生的垂直压力,MPa;
qo——
基本风压值,见GB50009,或按当地气象部门资料,但均不应小于300N/m2;
qw——
基本雪压值,N/m2。
对我国主要地区,qw可从GB50009中选取。
当表中查不到时,可向当地气象部门咨询或取qw=300N/m2。
当料仓露天建在山区时,应将上述雪压值乘以系数1.2。
ReL——
常温下材料屈服点,MPa;
——
设计温度下材料的许用应力,MPa;
T1——
料仓基本自振周期,s;
We——
地震载荷,N;
Ws——
雪载荷,N;
——
物料堆积密度,kg/m3;
——
仓壳圆筒或仓壳锥体的有效壁厚,mm;
——
各计算截面设定的仓壳圆筒或仓壳锥体的有效壁厚,mm;
——
仓壳顶的有效壁厚,mm;
——
仓壳锥体的半顶角,(°);
——
焊接接头系数;
——
物料与料仓壳体间的摩擦系数;
——
物料与料仓壳体间摩擦产生的应力,MPa;
——
组合轴向应力,MPa;
——
周向应力,MPa;
——
组合应力,MPa;
——
松散物料内摩擦角的最小值,(°);
’——
松散物料与壳体壁面的摩擦角,(°)。
6.2料仓的结构类型
料仓壳体结构主要有拱顶式和锥顶式。
料仓支承结构主要有裙座式、带整体加强环耳式支座及耳式支座,见图1所示。
a)裙座式支座b)带整体加强环耳式支座c)耳式支座式
图1料仓的支承结构类型
6.3料仓质量计算
料仓的操作质量按式(7)计算:
………………………(7)
式中:
mo——
料仓的操作质量,kg;
mo1——
仓壳(包括支座)质量,kg;
mo2——
内件质量,kg;
mo3——
保温、防护材料质量,kg;
mo4——
平台、扶梯质量,kg;
mo5——
操作时料仓内物料质量,kg;
ma——
人孔、接管、法兰及仓壳顶安装的附件质量,kg;
me——
偏心质量,kg。
料仓的最小质量按式(8)计算:
…..……………………(8)
6.4自振周期
6.4.1直径、厚度相等的料仓的基本自振周期
直径、厚度相等的料仓其基本自振周期应按式(9)计算:
……………………………(9)
6.4.2直径、厚度(或材料)沿高度变化的料仓的基本自振周期
直径、厚度(或材料)沿高度变化的料仓可视为一个多质点的体系,如图2所示。
其基本自振周期按式(10)计算。
其中直径和厚度不变的每段料仓质量,可处理为作用在该段高度1/2处的集中质量。
图2多质点的体系示意图
…..………………(10)
式中:
、
——
第i段、第i-1段仓壳材料在设计温度下的弹性模量,MPa;
mi——
第i段的操作质量,kg;
Ii、Ii-1——
第i段、第i-1段仓壳截面惯性矩,mm4。
仓壳圆筒段:
............................................................(11)
仓壳锥体段:
………………………………………..(12)
式中:
Die——
锥壳大端内直径,mm;
Dif——
锥壳小端内直径,mm;
6.5地震载荷
6.5.1水平地震力
任意高度hk(见图3)的集中质量
引起的基本振型水平地震力按式(13)计算:
………………………………………..(13)
式中:
——
集中质量mk引起的基本振型水平地震力,N;
——
距地面
处的集中质量,kg;
——
对应于料仓基本自振周期T1的地震影响系数
值;
——
地震影响系数,查图(4),曲线部分按图中公式计算。
——
对应于设防烈度的地震影响系数最大值,见表18;
表18对应于设防烈度的地震影响系数最大值
设防烈度
7
8
9
设计基本地震加速度
0.1g
0.15g
0.2g
0.3g
0.4g
地震影响系数最大值
0.08
0.12
0.16
0.24
0.32
——
基本振型参与系数;
……….…………………………….(14)
Tg——
各类场地土的特征周期,见表19。
表19场地土的特征周期Tg
设计地震分组
场地土类别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
第一组
0.25
0.35
0.45
0.65
第二组
0.30
0.40
0.55
0.75
第三组
0.35
0.45
0.65
0.90
图3多质点的体系基本振型示意图图4地震影响系数曲线
图4中:
——
曲线下降段的衰减指数,按式(15)计算:
……………………………………..(15)
——
阻尼比。
固体料仓取
=0.02;
——
直线下降段下降斜率的调整系数,按式(16)计算:
…………………………………..(16)
——
阻尼调整系数,按式(17)计算:
…………………………………..(17)
6.5.2垂直地震力
设防烈度为8度或9度区的料仓应考虑上下两个方向垂直地震力的作用,如图5所示。
料仓底截面处总的垂直地震力按式(18)计算:
……………………………………..(18)
式中:
——
垂直地震影响系数最大值,取
;
——
料仓的当量质量,取
,kg。
任意质量i处所分配的垂直地震力按式(19)计算。
(i=1,2,……n)…………….………………(19)
任意计算截面I-I处的垂直地震力按式(20)计算。
……………………………………….(20)
图5垂直地震力作用示意图
6.5.3地震弯矩
料仓任意计算截面I-I的基本振型地震弯矩按式(21)计算(见图3):
……………………….……………(21)
直径、厚度相等的料仓的任意截面I-I和底截面0-0的基本振型地震弯矩分别按式(22)和式(23)计算:
…………….………(22)
…………………………………….(23)
6.6风载荷
6.6.1水平风力
两相邻计算截面间的水平风力按式(26)计算:
……………………………………(24)
…………………………………(25)
……………..……………………(26)
式中:
……,
——
料仓各计算段的水平风力,N;
D01,D02,……,D0i——
料仓各计算段的外径,mm;
——
风压高度变化数系,按表20选取:
Hit——
料仓第i段顶截面距地面的高度,m;
K1——
体型系数,取K1=0.7;
K21,K22,……,K2i——
料仓各计算段的风振系数,当料仓高度H≤20m时,取K2i=1.70,当H>20m时,按式(27)计算:
……….……………………………(27)
——
脉动增大系数,按表21选取;
——
第i段脉动影响系数,按表22选取;
——
第i段振型系数,根据hit/H由表23选取;
——
第i计算段长度(见图6),mm;
表20风压高度变化系数
距地面高度
地面粗糙度类别
A
B
C
D
5
1.17
1.00
0.74
0.62
10
1.38
1.00
0.74
0.62
15
1.52
1.14
0.74
0.62
20
1.63
1.25
0.84
0.62
30
1.80
1.42
1.00
0.62
40
1.92
1.56
1.13
0.73
50
2.03
1.67
1.25
0.84
60
2.12
1.77
1.35
0.93
70
2.20
1.86
1.45
1.02
80
2.27
1.95
1.54
1.11
注1:
A类地面粗糙度系指近海海面及海岛、海岸、湖岸及沙漠地区;
B类系指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区;
C类系指有密集建筑群的城市市区;
D类系指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
注2:
中间值可采用线性内插法求取。
表21脉动增大系数
10
20
40
60
80
100
1.47
1.57
1.69
1.77
1.83
1.88
200
400
600
800
1000
2000
2.04
2.24
2.36
2.46
2.53
2.80
4000
6000
8000
10000
20000
30000
3.09
3.28
3.42
3.54
3.91
4.14
注1:
计算
时,对B类可直接代入基本风压,即q1=q0,对A类以q1=1.38q0,对C类以q1=0.62q0,对D类以q1=0.32q0。
注2:
中间值可采用线性内插法求取。
表22脉动影响系数
地面粗糙度类别
Hit,m
10
20
40
60
80
100
150
200
A
0.78
0.83
0.87
0.89
0.89
0.89
0.87
0.84
B
0.72
0.79
0.85
0.88
0.89
0.90
0.89
0.88
C
0.64
0.73
0.82
0.87
0.90
0.91
0.93
0.93
D
0.53
0.65
0.77
0.84
0.89
0.92
0.97
1.00
注:
中间值可采用线性内插法求取。
表23振型系数
相对高度hit/H
振型序号
1
2
0.10
0.02
-0.09
0.20
0.06
-0.30
0.30
0.14
-0.53
0.40
0.23
-0.68
0.50
0.34
-0.71
0.60
0.46
-0.59
0.70
0.59
-0.32
0.80
0.79
0.07
0.90
0.85
0.52
1.00
1.00
1.00
注:
中间值可采用线性内插法求取。
6.6.2风弯矩
料仓任意计算截面I-I处的风弯矩按式(28)计算:
………………(28)
料仓底截面为0-0处的风弯矩按式(29)计算:
……..…………………(29)
图6风弯矩计算简图
6.7偏心弯矩
偏心质量引起的弯矩按式(30)计算:
……………………………………………(30)
式中e——偏心质量重心至料仓中心线的距离,mm。
6.8最大弯矩
料仓任意计算截面I-I处的最大弯矩按式(31)计算:
取其中较大值….…………………(31)
料仓底部截面0-0处的最大弯矩按式(32)计算:
取其中较大值….…………………(32)
6.9物料对仓壳圆筒的作用力
6.9.1特性纵坐标系数
特性纵坐标系数A,其值按式(33)计算:
……………………………………(33)
………………………………………………(34)
6.9.2物料对仓壳圆筒的垂直压应力
物料对仓壳圆筒任意截面I-I处产生的垂直方向压应力
,见图7,其值按式(35)计算:
……………………………(35)
6.9.3物料对仓壳圆筒产生的水平压应力
物料对仓壳圆筒任意计算截面I-I处产生的水平压应力
,按式(36)计算:
……………………………(36)
图7仓壳圆筒受力简图
6.9.4物料与仓壳圆筒间的摩擦力
在计算截面I-I以上,产生于仓壳圆筒表面的摩擦力按式(37)计算:
…………………………………(37)
式中:
——
I-I截面上仓壳圆筒表面的摩擦力,N。
6.10雪载荷
仓壳顶的雪载荷Ws按式(38)计算:
…………….………………………(38)
6.11仓壳圆筒应力计算
6.11.1仓壳圆筒轴向应力计算
仓壳圆筒任意计算截面I-I处的轴向应力分别按式(39)、式(40)、式(41)及式(42)计算:
设计压力产生的轴向应力:
…….……………………………………(39)
式中:
——
设计压力在计算截面I-I处产生的轴向应力,MPa;
——
仓壳圆筒计算截面I-I处的有效厚度,mm。
物料与仓壳圆筒间摩擦力产生的轴向应力:
………………….……………………(40)
式中:
——
摩擦力在计算截面I-I处产生的轴向应力,MPa。
最大弯矩在仓壳圆筒内产生轴向应力:
……………………………………(41)
式中:
——
最大弯矩在计算截面I-I处产生的轴向应力,MPa。
由计算截面I-I以上料仓壳体重及垂直地震力产生的轴向应力:
……………..………..………(42)
式中:
——
壳体空重及垂直地震力在计算截面I-I处产生的轴向应力,MPa。
——
计算截面I-I以上的料仓壳体及附件质量,kg,按式(43)计算:
………..……………(43)
式中:
——
计算截面I-I以上的料仓壳体质量,kg;
——
计算截面I-I以上的料仓内件质量,kg;
——
计算截面I-I以上的保温、防护材料的质量,kg;
——
平台扶梯质量,kg;
——
计算截面I-I以上的人孔、接管、法兰及仓壳顶安装的附件质量,kg。
6.11.2仓壳圆筒周向应力
设计压力
和物料的水平压应力
在计算截面I-I处仓壳圆筒中产生的周向应力按式(44)计算:
……………………….……………(44)
式中:
——
由设计压力
和物料的水平压应力
在计算截面I-I处产生周向应力,MPa。
6.11.3应力组合
6.11.3.1组合拉应力
组合轴向应力按式(45)计算:
…………..…..……………(45)
式中:
——
组合轴向应力,MPa。
组合拉应力按式(46)计算:
………….………………(46)
式中:
——
组合拉应力,MPa。
6.11.3.2组合压应力
组合压应力按式(47)计算:
…………….………………(47)
式中:
——
组合压应力,MPa。
6.11.4应力校核
仓壳圆筒任意计算截面I-I处的组合拉应力与组合压应力分别按式(48)及式(49)校核:
组合拉应力:
…………….……..……………………(48)
组合压应力:
…………….……………………………(49)
取其中较小值………………….(50)
式中:
——
仓壳圆筒材料的许用轴向压应力,MPa,按式(50)确定:
Ko——
载荷组合系数,取Ko=1.2。
6.12仓壳锥体应力
6.12.1仓壳锥体任意截面上的应力计算
6.12.1.1仓壳锥体特性纵坐标系数
仓壳锥体特性纵坐标系数Az,其值按式(51)计算:
…………………………………(51)
…..…………………..…………………(52)
式中:
——
仓壳锥体特性纵坐标值,mm;
——
仓壳锥体计算截面α-α处的内直径,mm;
hzc——
物料在仓壳锥体计算截面α-α处的锥角高,mm。
6.12.1.2物料对仓壳锥体的垂直压应力
物料对仓壳锥体任意截面a-a处产生的垂直方向压应力
,见图8,其值按式(53)计算:
…………………………(53)
6.12.1.3物料对仓壳锥体产生的水平压应力
物料对仓壳锥体任意计算截面a-a处产生的水平压应力
,按式(54)计算:
…………………………(54)
图8物料对仓壳锥体的垂直压应力
6.12.1.4仓壳锥体任意截面处的法向压应力
物料在仓壳锥体任意计算截面a-a处所产生的法向压应力
按式(55)计算,此压应力与仓壳锥体间产生的法向压应力。
……….…….…………………(55)
6.12.1.5周向应力
仓壳锥体任意截面a-a处由设计压力
和和垂直于其壁面的法向压应力
产生的周向应力按式(56)计算。
……………………………………(56)
6.12.1.6轴向应力
任意截面a-a处由设计压力
和物料垂直压应力
产生的轴向应力按式(57)计算:
……………….…………(57)
式中:
——
仓壳锥体计算截面a-a以下的仓壳锥体质量与仓壳锥体计算截面a-a以下的仓壳锥体所储物料质量之和,kg。
6.12.2组合应力
截面a-a处组合应力按式(58)计算:
……………………………(58)
6.12.3应力校核
截面a-a处组合应力按式(59)校核:
……………………………………………(59)
6.13仓壳顶计算
6.13.1自支承式锥形仓壳顶
自支承式锥形仓壳顶适用于壳体内直径不大于5m的料仓,见图9。
仓壳顶的有效厚度按式(60)计算,但不得小于4.5mm。
当
>6mm时可以考虑采用加强筋结构。
…………..………..………………(60)
…….……………………………(61)
式中:
——
单位面积的仓壳顶质量,kg/m2;
——
单位面积的仓壳顶附加质量,kg/m2;
——
单位面积仓壳顶上平均载荷,kg/m2;
——
锥顶母线与其水平投影线间之夹角(见图9),一般取10о~35о。
图9自支承式锥形仓壳顶图10自支承式拱形仓壳顶
受内压锥顶的周向应力按式(62)计算:
……………………..…………………(62)
周向应力
按式(63)校核:
……………………..…………………(63)
6.13.2自支承式拱形仓壳顶
自支承式拱形仓壳顶的球壳内半径取料仓内直径的0.8~1.2倍,见图10。
拱形仓壳顶球壳的有效厚度按式(64)计算,但不得小于4.5mm。
当
>6mm时可以考虑采用加强筋结构。
……………………………(64)
式中:
——
拱形仓壳顶球壳内半径(见图10),mm。
受内压拱形仓壳顶的周向应力,按式(65)计算:
…………………..……………………(65)
周向应力
按式(66)校核
……………………….………………(66)
6.13.3仓壳顶加强筋
加强筋宜以仓壳顶中心为准,呈辐射状均匀并对称分布,如图11所示。
加强筋按以下步骤进行校核计算:
a)加强筋的最大弯矩
加强筋的最大弯矩按式(67)计算:
………………………(67)
式中:
——
加强筋最大弯矩,N·m;
——
集中载荷,N;
n——
直径方向加强筋的数量。
b)所需加强筋截面模数按式(68)计算:
……………………
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