耳式支座支撑杆设计

时间：2024-05-22

王玉*

（沈阳汇博热能设备有限公司）

对立式容器来说，支座安装形式主要包括腿式、耳式、支承式和裙座[1]。腿式、支承式和裙座通常和容器本体下部焊接在一起。腿式、支承式支座一般用于罐体类设备；而裙座结构承载能力较强，多用于高耸塔器[2]。与上述支座不同，耳式支座多位于设备的中部偏上，稳定性好，是立式管壳式热交换器[3]普遍采用的结构形式，通常安装在混凝土或钢结构平台上[4]。当无平台可用时，应设计独立支撑结构。

图1 所示为某装置中的碱加热器，该设备公称直径为500 mm，设备总质量为2 700 kg，管、壳程设计压力均为1.0 MPa,共4 个支座。地震设防烈度为7度，设备安装在室内。

考虑到圆管截面轴心压杆的承载能力较高，支撑杆拟设计成钢管构件，构件由钢管和上、下连接板焊接组合成型。上、下连接板安装尺寸，均需与耳座底板一致，并分别与耳座、地基基础连接紧固。钢管材料初选20#钢，且需要确定钢管的规格。

1 支座载荷

根据牛顿第三定律，支撑杆与耳式支座所承受的载荷是一样的。耳式支座实际承受载荷可按式（1）计算：

式中：Q——支座实际承受的载荷，N；

D——支座安装尺寸，为870 mm；

g——重力加速度， g =9.81 m/s2；

Ge——偏心载荷（包括管道推力引起的当量载荷），N；

Se——偏心距（包括管道推力引起的当量偏心距），mm；

h——水平力作用点至底板高度，为256.5 mm；

k——不均匀系数，安装3 个支座时，k=1；安装3个以上支座时，k=0.83；

m0——设备总质量（包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量），为2 700 kg；

n——支座数量，共4 个；

p——水平力，取pw和pe+0.25pw的大值，N；

pw——水平风载荷，室内安装时取0 N。

Ge——竖直向下的偏心载荷为零（壳程接口N1，N2因壳程压力产生平衡力[6]FN1=4 654.27 N,FN2=1 734.07 N， N3，N4接管规格相同，平衡力相互抵消）；

Se——竖直向下偏心距为零（但对应平衡力FN1=4 654.27 N，FN2=1 734.07 N的偏心距分别为1 787 mm，2 300 mm）。

将上述数据代入式（1）可得：

2 材料力学设计方法

在挠度较小[7]的情况下，由欧拉公式确定的临界力是有实际意义的。可以将上面求得的支座载荷，乘以一个足够大的系数，来求取支撑钢管规格；也可以先假定钢管规格，求取极限承载能力，再与支座载荷进行比较。初步选用20#钢管，规格为 89 mm×6 mm。

但应用欧拉公式前，应验算所选支撑钢管是否在欧拉公式的适用范围内：

式中：Fcr——临界压力，MPa；

E——钢管的弹性模量，MPa；

I——压杆的截面惯性矩，I=π（D4-d4）/64=1 353 595.13 mm4；

μ——长度因数，无量纲；

l——压杆长度，mm。

将上述数据代入式（3）可得：

3 按钢结构设计方法

按照钢结构设计规范，轴心受压构件应进行强度、整体稳定、局部稳定和刚度计算[11]。刚度计算主要是确保构件的长细比λ不应超过规定的容许值，其他各项均不超出承载能力极限状态。

轴心受压构件的承载能力大多由其稳定条件决定，截面强度一般不起控制作用。

除可考虑屈服后强度的实腹式构件（钢管属于此类型之一）外，轴心受压构件的稳定性计算应符合式（4）要求：

可以看出，选钢管材料为20#钢时， 89 mm×6 mm 规格可以满足标准要求。

然而，对于内力较小的轴心受压构件，如果按照整体稳定的要求来选择截面尺寸，会出现截面过小导致构件过于细长，刚度不足，使杆件易在运输、安装、使用期间产生弯曲，影响构件的承载能力。为此，规范还规定，对柱和主要压杆，其容许长细比λ=150，对次要构件（如支撑压杆等）取λ=200；但当杆件内力设计值不大于承载能力的50%时，容许长细比值可取200。

按上述要求综合考虑，同时兼顾支座底板螺孔位置，最后选择规格为 108 mm×6 mm 的20#钢管，其λ≈185。为了保证支撑钢管的稳定性，在支撑钢管的中部位置，还使用了管夹对钢管约束，管夹焊牢在刚度很大的热交换器壳体上。