气柜设计计算过程

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气柜设计计算过程

1.设计基本参数
	设计规范：HG20517《钢制低压湿式气柜》
	设计压力：	400	mmH2O
	设计温度：	60	℃
	设计风压：	200	Pa
	地震烈度：	7	度
	罐壁内径：	22	m
	罐壁高度：	16.2	m
	充液高度：	16.2	m
	液体密度：	1010	kg/m³
	拱顶半径：	18.445	m
	焊缝系数：	0.85
	腐蚀裕量：	1	mm
	钢板厚度负偏差		0.8	mm

2. 水槽壁分段及假设壁厚
	罐壁尺寸、材料及许用应力如下：
从下至上分段号		高度（m）	厚度（mm）	材料	设计[σ]t（MPa）	σs（MPa）	σb（MPa）	重量（kg）
	1	4	16	Q235-A	157	235	375	34748.6
	2	4	14	Q235-A	157	235	375	30402.3
	3	4	10	Q235-A	157	235	375	21712.0
	4	4.2	8	Q235-A	157	235	375	18236.4

							总重：	105099.4

3. 水槽壁计算


	计算结果：
	从下至上分段数	H（m）	计算壁厚t（mm）	名义厚度（mm）
	1	16.2	15.0	16
	2	12.2	11.7	14
	3	8.2	8.4	10
	4	4.2	5.0	8


4. 钟罩壁计算


	计算结果：
	δ=	1.8003297	mm

5. 钟罩顶计算


	计算结果：
	δ=	1.8006228	mm

6. 风载荷及地震载荷计算
	风载荷计算：


	W0——	地区基本风压值		（N/m²）
	β——	风振系数		1.45
	K_Z——	风压高度系数		1.49
	K——	体形系数		0.7
	W=			302.47	（N/m²）
	地震载荷计算：
	水平方向地震力：

	C——	结构影响系数		0.4
	K_h——	水平地震力系数		0.1
	β₁——	动力放大系数		2.25
	W₀——	活动塔节总重力		813297	N
	Q_e=			73196.73	（N/m²）

7. 轮压计算
	风载荷产生的轮压：

	W0——	地区基本风压值			（N/m²）
	β——	风振系数		1.45
	K_Z——	风压高度系数		1.31
	K——	体形系数		0.6
	D_C——	钟罩直径		21	m
	l₁——	上下导轮间距		15.92	m
	h_C——	活动塔节露出高度		17.87	m
	ΣP_W=			48008.25	N
	风载荷产生的最大水平轮压:

	对内导轮:
	H_WMAX=			8001.375	N
	n——	导轮数(即导轨根数)		24
	对外导轮:
	H_WMAX=			16002.75	N
	n——	导轮数(即导轨根数)		12

	地震载荷产生的最大水平轮压:
				67127.65	N
	对内导轮:
				3356.383	N
	n——	导轮数(即导轨根数)		24
	对外导轮:
				6712.765	N
	n——	导轮数(即导轨根数)		12
	各导轮的水平计算轮压为:
	对内导轮:
	H_max=0.25H_wmax+H_emax=			5356.727	N
	对外导轮:
	H_max=0.25H_wmax+H_emax=			10713.45	N

	当导轮作用在导轨中心时产生的最大轮压计算：
	风载荷产生的轮压：

	K_Z——	风压高度系数		1.26
	h_C2=			14.5	m
	ΣP_W=			30401.99	N
	风载荷产生的最大水平轮压:

	对内导轮:
	H_WMAX=			5066.999	N
	n——	导轮数(即导轨根数)		24
	对外导轮:
	H_WMAX=			10134	N
	n——	导轮数(即导轨根数)		12

	地震载荷产生的最大水平轮压:
				51954.97	N
	对内导轮:
				2597.748	N
	n——	导轮数(即导轨根数)		24
	对外导轮:
				5195.497	N
	n——	导轮数(即导轨根数)		12
	各导轮的水平计算轮压为:
	对内导轮:
	H_max=0.25H_wmax+H_emax=			3864.498	N
	对外导轮:
	H_max=0.25H_wmax+H_emax=			7728.996	N

8. 导轨计算
	1,外导架水平环梁或拉杆的内力及强度校核:

	n——	外导轨数量		12
	T_i=			20696.88	N
	水平环梁或拉杆强度校核：			.

	F_i——	水平环梁或拉杆截面积		1274	mm²
	W_x——	水平环梁或拉杆作用
		平面内断面模数		7800	mm³
	M——	水平环梁做平台时，
		平台活载荷产生的弯矩
	［σ］——构件许用应力			167	MPa
	σ=			16.24559	MPa
	σ<［σ］
	2,外导架斜撑内力及强度校核:
				2772.835	N
				9278.133	N

				4524.051	N


	F_i——	斜撑的截面面积		1150	mm²
	［σ］——构件许用应力			167	MPa
	σ=			3.933957	MPa
	σ<［σ］
	3,外导架立柱的内力及稳定性校核:

	V——	立柱轴向内力
				3574.692	N
	Φ——	稳定系数		0.604
	F——	立柱的截面面积		3060	mm²
	σ=			1.934106	MPa
	［σ］——构件许用应力			167	MPa
	σ<［σ］
	当导轮作用在导轨中心时立柱产生的跨中弯矩计算：
					N·mm
	M=			5688541	N·mm
				2000.404	N
				6693.515	N
				3263.782	N
				2578.886	N

	Φ——	稳定系数		0.604
	F——	立柱的截面面积		3060	mm²
	σ=			1.39532	MPa
	［σ］——构件许用应力			167	MPa
	σ<［σ］

9. 水槽内导轨计算
	水槽内导轨为一多跨梁,作用有一个集中荷载,可视为
	两端嵌入梁校核弯曲强度

	H_max^____	下导轮最大轮压			N
	Lc^____	导轨支点跨距		500.00	mm
	W^____	导轨断面模数		13010	mm³
	［σ］——导轨许用弯曲应力				MPa
	σ=			25.7337	MPa
	［σ］——构件许用应力			167	MPa
	σ<［σ］

10. 导轮轴的计算
	1,内导轮轴的计算:

	H_max^____	导轮上的总轮压
	L^____	导轮轴计算长度		315	mm
				210921.1	N·mm

	［σ_W］——许用弯曲应力			69	MPa
	d=			31.49319	mm

					MPa
	τ=			3.440063	MPa
	［τ］轮轴材料的许用剪切应力			41.4	MPa
	τ<［τ］
	2,外导轮轴的计算:

	L^____	导轮轴计算长度		480	mm
	M=			642807.2	N·mm
	［σ_W］——许用弯曲应力			39	MPa
	d=			55.2245	mm

					MPa
	τ=			2.237517	MPa
	［τ］轮轴材料的许用剪切应力			23.4	MPa
	τ<［τ］

11. 底板计算
	边沿板厚度 t_b=		12	mm
	边沿板宽度 L_min：		≥600	mm
	中幅板厚度：		8	mm

12. 拱架计算
	顶板重量：		492	（N/m²）
	拱架重量：		147	（N/m²）
	施工载荷或雪载荷：		687	（N/m²）
	拱架计算荷载 q：		1326	（N/m²）
	拱架球面半径 R：		18445	mm
	径向梁规格：选型钢Ⅰ10（100×68×4.5）
	径向梁截面惯性矩 I：		2450000	mm⁴
	径向梁截面模数Wx		49000	mm³
	径向梁截面积 Ai		1430	mm²
	梁截面的回转半径 i_x		41.4	mm
		i_y	15.2	mm
	径向梁基本尺寸（符号见图）：					图1：拱架计算示意图
	r₁^/=	1680	n₁=	12	l₀=	660	α₀=	2.051
	r₂^/=	3727.5	n₂=	12	l₁=	2040	α₁=	8.417
	r₃^/=	5751.5	n₃=	24	l₂=	2055	α₂=	14.939
	r₄^/=	7698.5	n₄=	24	l₃=	1993	α₃=	21.460
	r₅^/=	9499.5	n₅=	24	l₄=	1901	α₄=	27.963
	r₆^/=	10350	n₆=		l₅=	1701	α₅=	34.134

8.1 计算节点的负荷面积
				0.74	m²
				2.90	m²
				2.51	m²
				3.43	m²
				4.05	m²
8.2 节点荷载
			979.78	N
			3843.55	N
			3330.08	N
			4545.38	N
			5376.18	N

8.3 径向梁计算
	径向梁段轴力（压力）计算
				-6693.41		N
				-18710.15		N
				-22286.66		N
				-27081.77		N
				-32212.00		N

	8.3.1 轴力引起的偏心弯矩计算
			N·mm
	M₁₁		M₁₂		M₁₃		M₁₄	M₁₅
	1.89E+05		5.35E+05		6.00E+05		6.63E+05	6.32E+05
	8.3.2 径向梁局部弯矩计算
	径向梁段和环向梁段围成的面积上的外部荷载，当径向梁段与环向梁段长度相近时，其一半荷
	被认为由径向梁段承担。由于本拱架径向梁段较长，环向梁段较短，因此考虑全部荷载由径向梁
	段承担。此荷载引起的径向梁的局部弯矩计算如下：
	载荷面积
					0.90	m²
					2.01	m²
					1.50	m²
					1.92	m²
					2.12	m²
	局部载荷
			N
	Q_D1		Q_D2		Q_D3		Q_D4	Q_D5
	1189.74		2659.14		1989.62		2540.21	2804.71
	局部弯矩
			N·mm
	M₂₁		M₂₂		M₂₃		M₂₄	M₂₅
	4.05E+05		9.11E+05		6.61E+05		8.05E+05	7.95E+05
	径向梁段计算弯矩
			N·mm
	M_D1		M_D2		M_D3		M_D4	M_D5
	2.16E+05		3.75E+05		6.10E+04		1.42E+05	1.64E+05
	8.3.4 径向梁段强度和稳定性校核
	强度校核
			第一段	0.28	或	9.08	MPa
			第二段	5.4	或	20.74	MPa
			第三段	14.34	或	16.83	MPa
			第四段	16.05	或	21.83	MPa
			第五段	19.19	或	25.86	MPa
	σ≤[σ]=	167	MPa
	1> 弯矩作用平面内的稳定性校核

	梁弯矩作用平面内的长细比

	由ε及λx查HG20517-92《钢制低压湿式气柜》表Ⅰ-2得Φp=
		ε	λx	Φp
	第一段	0.941	49.28	0.465
	第二段	0.585	49.64	0.571
	第三段	0.080	48.14	0.888
	第四段	0.153	45.92	0.76
	第五段	0.148	41.09	0.788
			第一段	10.07	MPa
			第二段	22.9	MPa
			第三段	17.55	MPa
			第四段	24.9	MPa
			第五段	28.6	MPa
	σ≤[σ]=	167	MPa
	2> 弯矩作用平面外的稳定性校核
	梁弯矩作用平面外的长细比

	由ε及λx查HG20517-92《钢制低压湿式气柜》表Ⅰ-3得Φ1=
		ε	λy	Φl
	第一段	0.94	134.21	0.235
	第二段	0.59	135.20	0.26
	第三段	0.08	131.12	0.383
	第四段	0.15	125.07	0.436
	第五段	0.15	111.91	0.501
			第一段	19.92	MPa
			第二段	50.3	MPa
			第三段	40.69	MPa
			第四段	43.44	MPa
			第五段	45.0	MPa
	σ≤[σ]=	167	MPa
8.4 环向梁计算
	8.4.1 环向梁基本尺寸：
	环梁规格：选型钢L80（80×80×8）
	截面惯性矩		734900	mm⁴
	径向梁截面模数Wx		12830	mm³
	弹性模量 E		191000	MPa
	环梁截面积		1230	mm²
	梁截面的回转半径 i_x		24.4	mm
		i_y	24.4	mm
	环向梁直径：			环向梁各段长度
	D0	1320	mm
	D1	5400	mm	l₁=πD₁/n₁=		1413.72	mm
	D2	9510	mm	l₂=πD₂/n₂=		2489.71	mm
	D3	13496	mm	l₃=πD₃/n₃=		1766.62	mm
	D4	17298	mm	l₄=πD₄/n4=		2264.30	mm

	8.4.2 环向梁段轴力
					-1.3E+04	N
					-2.2E+04	N
					-1.0E+04	N
					-1.2E+04	N
	8.4.3 环向梁段弯矩
	载荷面积按所在节点的载荷面积的一半计算：
			m²
	F_r1		F_r2		F_r3		F_r4
	0.37		1.45		1.26		1.71
	计算载荷
			N
	Q_r1		Q_r2		Q_r3		Q_r4
	489.89		1921.78		1665.04		2272.7
	计算弯矩
			N·mm
	M_r1		M_r2		M_r3		M_r4
	1.15E+05		7.97E+05		4.90E+05		8.58E+05
	8.4.4 环向梁段强度和稳定性校核
	强度校核

		第一段	1.40	或	19.40	MPa
		第二段	-44.16	或	80.15	MPa
		第三段	-29.91	或	46.51	MPa
		第四段	-56.95	或	76.75	MPa
	σ≤[σ]=	167	MPa
	8.4.5 弯矩作用平面内的稳定性校核
	计算偏心率

	梁弯矩作用平面内的长细比

	由ε及λx查HG20517-92《钢制低压湿式气柜》表Ⅰ-2得Φp=
			ε	λx	Φp
		第一段	0.87	57.94	0.486
		第二段	3.45	102.04	0.13
		第三段	4.61	72.40	0.12
		第四段	6.75	92.80	0.079

		第一段	21.398	MPa
		第二段	138.412	MPa
		第三段	69.136	MPa
		第四段	125.293	MPa
	σ≤[σ]=		167	MPa
	8.4.6 梁弯矩作用平面外的长细比

	由ε及λx查HG20517-92《钢制低压湿式气柜》表Ⅰ-3得Φ1=
		ε	λy	Φl
	第一段	0.87	57.94	0.447
	第二段	3.45	102.04	0.157
	第三段	4.61	72.40	0.147
	第四段	6.75	92.80	0.101

		第一段	23.27	MPa
		第二段	114.61	MPa
		第三段	56.44	MPa
		第四段	98.00	MPa
	σ≤[σ]=	167	MPa
8.5 中心环梁计算
	中心环直径较小，沿圆周径向梁分布较密，可近似认为是受均布外压的圆环。
	8.5.1 中心环参数
	中心环规格：型钢L80（80×80×8）
	中心环直径 D₀：		1320	mm
	环截面积 A：		1230	mm²
	弹性模量 E：		191000	MPa
	截面惯性矩 J：		734900	mm⁴
	8.5.2 中心环稳定性校核
	环梁单位长度上分布的载荷计算
			19.37	N/mm
	H₁——径向梁轴力的水平分力
	H₁=S₁cosα₁≈S₁=		6693.41	N
	环梁临界压力
			1464.71	N/mm
	中心环许用压力
			488.24	N/mm
	[q]>q	校核合格
	8.5.3 中心环强度校核
			10.39	MPa
	σ≤[σ]=	167	MPa
8.6 拱架整体性稳定性校核
	拱架假设为按径向梁和环向梁构成的正交各向异性的浅球壳，
	并以此进行总体稳定性校核。
8.6.1 有效折算薄膜厚度计算
	径向梁有效薄膜厚度δ_Φ
			1.15	mm
	A_φ——径向梁的断面积，			1430	mm²
	b——径向梁之间的中线距离，			1244.9	mm
	环向梁有效薄膜厚度δ_θ
			0.60	mm
	A_θ——环向梁的断面积，			1230	mm²
	d——环向梁之间的中线距离，			2055	mm
8.6.2 折算为壳体在单位宽度上的延伸刚度计算
	径向延伸刚度
			219407	N/mm
	环向延伸刚度
			114321.17	N/mm
8.6.3 折算为壳体在单位宽度上的弯曲刚度计算
	径向弯曲刚度
			3.76E+08	N·mm
	环向弯曲刚度
			6.83E+07	N·mm
	I_Φ，I_θ——分别为径向梁和环向梁的截面惯性矩；
8.6.4 简化为各向同性壳后，折算有效薄膜厚度δ及弹性模数E′分别为
			198.64	mm
			575.52	MPa
8.6.5 按承受均布外压计算罩顶拱架许用压力
				6674.8	Pa
	[P_cr]>q=	1326	Pa

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