耳式支座支撐桿設計

王 玉*

（沈陽匯博熱能設備有限公司）

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備；而裙座結構承載能力較強，多用于高聳塔器[2]。與上述支座不同，耳式支座多位于設備的中部偏上，穩定性好，是立式管殼式熱交換器[3]普遍采用的結構形式，通常安裝在混凝土或鋼結構平臺上[4]。當無平臺可用時，應設計獨立支撐結構。

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

考慮到圓管截面軸心壓桿的承載能力較高，支撐桿擬設計成鋼管構件，構件由鋼管和上、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、地基基礎連接緊固。鋼管材料初選20#鋼，且需要確定鋼管的規格。

1 支座載荷

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

式中：Q——支座實際承受的載荷，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量載荷），N；

Se——偏心距（包括管道推力引起的當量偏心距），mm；

h——水平力作用點至底板高度，為256.5 mm；

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

m0——設備總質量（包括殼體及其附件，內部介質及保溫層的質量），為2 700 kg；

n——支座數量，共4 個；

p——水平力，取pw和pe+0.25pw的大值，N；

pw——水平風載荷，室內安裝時取0 N。

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

Se——豎直向下偏心距為零（但對應平衡力FN1=4 654.27 N，FN2=1 734.07 N的偏心距分別為1 787 mm，2 300 mm）。

將上述數據代入式（1）可得：

2 材料力學設計方法

在撓度較小[7]的情況下，由歐拉公式確定的臨界力是有實際意義的?？梢詫⑸厦媲蟮玫闹ёd荷，乘以一個足夠大的系數，來求取支撐鋼管規格；也可以先假定鋼管規格，求取極限承載能力，再與支座載荷進行比較。初步選用20#鋼管，規格為 89 mm×6 mm。

但應用歐拉公式前，應驗算所選支撐鋼管是否在歐拉公式的適用范圍內 ：

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，無量綱；

l——壓桿長度，mm。

將上述數據代入式（3）可得：

3 按鋼結構設計方法

按照鋼結構設計規范，軸心受壓構件應進行強度、整體穩定、局部穩定和剛度計算[11]。剛度計算主要是確保構件的長細比λ不應超過規定的容許值，其他各項均不超出承載能力極限狀態。

軸心受壓構件的承載能力大多由其穩定條件決定，截面強度一般不起控制作用。

除可考慮屈服后強度的實腹式構件（鋼管屬于此類型之一）外，軸心受壓構件的穩定性計算應符合式（4）要求：

可以看出，選鋼管材料為20#鋼時， 89 mm×6 mm 規格可以滿足標準要求。

然而，對于內力較小的軸心受壓構件，如果按照整體穩定的要求來選擇截面尺寸，會出現截面過小導致構件過于細長，剛度不足，使桿件易在運輸、安裝、使用期間產生彎曲，影響構件的承載能力。為此，規范還規定，對柱和主要壓桿，其容許長細比λ=150，對次要構件（如支撐壓桿等）取λ=200；但當桿件內力設計值不大于承載能力的50%時，容許長細比值可取200。

按上述要求綜合考慮，同時兼顧支座底板螺孔位置，最后選擇規格為 108 mm×6 mm 的20#鋼管，其λ≈185。為了保證支撐鋼管的穩定性，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 結論

選用鋼管材料為20#鋼時， 89 mm×6 mm 規格均能滿足歐拉公式和鋼結構標準的穩定性要求。但考慮到對長細比許用值λ的影響，最終選擇的支撐鋼管規格為 108 mm×6 mm。

當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來提高支撐桿的穩定性。為保持支撐鋼管的直線度，應采用整根鋼管制造支撐構件，不允許拼接。

與混凝土或鋼結構平臺相比，獨立設計支撐結構具有造價低，安裝高度調節容易，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。