填料支撑梁强度和整体稳定性的安全系数
关永祥;刘武昌
【摘 要】为可靠经济地设计化工塔器的填料支撑梁,应确定合理的强度安全系数和整体稳性安全系数.本文对这两个安全系数的影响因素做了较系统的分析,给出了强度安全系数值和整体稳性安全系数值.在此基础上,进一步给出了常用温度范围内化工塔器在不同温度下的强度计算许用应力和整体稳性计算许用应力.
【期刊名称】《石油和化工设备》
【年(卷),期】2011(014)003
【总页数】4页(P14-17)
【关键词】填料支撑梁;强度安全系数;整体稳性安全系数;许用应力
【作 者】关永祥;刘武昌
【作者单位】天津市创举科技有限公司,天津,300130;天津市创举科技有限公司,天津,300130
【正文语种】中 文
目前，国内塔器设计标准中尚未涉及填料支撑结构的内容。因此，设计填料支撑梁时，其强度和整体稳定性设计的许用应力如何选取，存在一定问题。
合理的许用应力，可保证设计的可靠性和经济性。而合理的许用应力取决于合理的安全系数，安全系数的确定至关重要。
填料支撑梁可由钢板拼制，也可采用型钢，最常用的型钢为工字钢。为使讨论简单明了，本文只针对最常用的Q235A材质工字钢梁。但其方法和部分数据也可用于其它型式梁。
1.1 首先确定填料支撑梁的承载极限状态。根据弯矩的大小，梁截面可能出现下面两种承载极限状态，见图1。
图1中a，表示当弯矩达到某个值时，梁截面上下两端刚刚进入屈服状态。
图1中b，表示弯矩增大，截面内部出现部分屈服状态，但中间还有部分区域处于弹性状态。此时梁仍能工作。
以上两种情况，都可做为工程上的承载极限状态。
由于化工设备的重要性、危险性，同时考虑做为填料支撑梁一般规格不太大，耗材不太多以及挠度不允许太大，所以取图1中的a所示状态为填料支撑梁的承载极限状态，即采用弹性失效准则。
承载极限状态确定后，便可得出许用应力表达式
屈服极限σs已由材料标准给出。因此，由（1）式可知，要确定梁强度计算的许用应力[σ]，必须首先确定安全系数n。
1.2 强度计算安全系数n的确定
影响梁的实际强度偏离其计算值的因素有：（1）材料屈服极限的实际值；（2）载荷的波动；（3）梁制造和安装过程中的误差。
这几项影响因素都应在安全系数中有所体现，因此采用“部分系数法”确定安全系数。
1.2.1 材料屈服极限
材料的屈服极限，是一个离散性不大的正态分布的随机变量。材料标准给出的屈服极限下限值，实际上是工程上可以接受的概率的保证值。这个概率能基本上保证用户得到的材料其屈服极限不低于此值。但不排除极端情况下，材料的屈服极限低于此值的可能性。
为确保设计的填料支撑梁可安全正常地工作，给出安全系数的分项系数y材=0.1。
1.2.2 载荷波动
设计载荷时考虑下列三项因素：
（1）梁及栅板的自重；（2）填料重量；（3）由持液量形成的液体重量。
梁及栅板自重和填料重量波动不大。而持液量形成的液体重量会有很大波动。由于液体输入量及其流动阻力的变化，以及气体输入量的影响，持液量都可能加大，直至发生液泛。设计规定，持液量相对于工艺设计给出的正常操作持液量增加1倍，为梁强度设计所允许的波动量。超过此限做为操作失误对待。
由于每个塔的填料段高度不同，填料密度不同，持液量设计值不同，持液量增加1倍所造成
的载荷变化率也不同，所以无法给出一个统一的安全系数的分项系数。为此，不把此项影响放在安全系数中，而将设计参数——“载荷”中的持液量部分增加1倍。
1.2.3 梁制造和安装过程中的误差
型钢工字钢梁的制造质量，主要包括截面形状、尺寸误差等。梁安装的质量主要包括：安装实际形成的梁支点间距，将影响梁的实际计算长度。每个填料支撑一般由数根梁组成，由于安装高度、间距等误差，将使每个梁的实际载荷有可能大于设计载荷。梁安装造成的承载面的垂直度误差也将影响梁的实际受力。
以上这些都会使梁的实际强度偏离其计算值。根据工程实践经验，给出分项系数y梁=0.2。
至此，求出安全系数如下：
1.3强度计算的许用应力
根据安全系数，可按（1）式，求出填料支撑梁（轧制普通工字钢）的许用应力，如表1所示：
梁整体失稳的概念是：载荷作用在梁的最大刚度平面内，其弯曲正应力尚未达到使梁产生弯曲失效的水平，却突然发生侧向的弯扭破坏。
对于整体失稳问题，GB 50017-2003《钢结构设计规范》[1]考虑得非常完善，因此可以在其基础上，结合化工设备的特点做一些处理。
为说清问题，先从讨论“整体稳定性系数”的意义及整体失稳的计算方法入手，导出整体稳定性计算中“安全系数”的意义，最后再确定整体稳定的“安全系数”值。
同时为使本文对整体稳定性计算有实际指导意义，本文提出了“整体稳定性系数”的修正系数。因为在GB 50017-2003《钢结构设计规范》表B.2中给出的各种情况下的整体稳定性系数，是针对该规范涉及的用于常温的建筑工程，不能涵盖化工塔器所涉及的高温工况。
2.1 整体稳定性系数
梁的整体稳定性系数，是控制整体失稳发生的弯曲正应力许用值的折算系数。
整体稳定性系数 的表达式，由G B 50017-2003《钢结构设计规范》的“条文说明”中4.2.2条的式2给出：
式中：Mcr—梁整体失稳的临界弯矩；Wx—梁的抗弯截面模量；fy—梁材料的屈服极限。
对于一个钢梁，其中Wx为固定值，而fy和Mcr是温度的函数。GB 50017-2003《钢结构设计规范》的表B.2给出的是常温（20℃）的值。而化工塔器常用于高温，因此应对乘以一个温度修正系数，化简为。系数中E是梁在工作温度下的弹性模量，单位是103MPa。fy是梁在工作温度下的屈服极限，单位是MPa。所以在整体稳定性计算中，从《钢结构设计规范》的表B.2中查出的 j 应修正为b
提出这个温度修正系数的原理参见G B 50017-2003《钢结构设计规范》的表B.2的注2。此处比注2多乘了一个，是因为注2中提到的“其他钢号”是指16Mn，而16Mn和Q235A在20℃时的弹性模量相差无几，可忽略不计。为便于使用，现将Q235A常用温度下的E和fy列出，见表2。
