再沸器三角形支架的设计

摘 要：再沸器在操作或充水试压时重量较重，常用的管架结构无法满足承重的要求，因此需要设计支撑重型设备的三角形支架。本文通过实例，对横梁承受的弯矩和斜撑承受的轴向力进行了计算，并对受力结果进行比较和分析。为类似结构的三角形支架的设计提供一个借鉴。

关键词：三角形支架 集中载荷 横梁弯矩 斜撑轴向力

一、前言

最近笔者设计了一个再沸器，充水重量156.8kN，需要在挂在塔设备的侧边。按HG/T21629-1999《管架标准图》对于设备上设置托架的规定，不能满足再沸器支撑载荷的要求，因此需要单独设计支架。支架一般选用悬臂支架和三角形支架。悬臂支架一般只适用于支撑重量较小或力臂较短的情况；三角形支架则可适用于支撑重量较大和力臂较长的场合。因此本文主要介绍三角形支架的设计。

二、横梁、斜撑受力分析

对于承受集中载荷的三角形支架，斜撑作用横梁的位置与斜撑的支撑角度影响着横梁的弯矩和斜撑的轴向力大小，从而影响横梁和斜撑截面尺寸大小的选取。

再沸器一般会设置四个均布支耳。此时三角形支架会承受三个集中力，当塔设备与再沸器中心距确定的情况下，三个集中力在横梁上的作用点位置确定不变。如图1所示，H和R已由设备尺寸决定，为确定数值，L和Φ是影响三角形支架设计的主要因素。

图1 三角形支架受力示意图

再沸器总重G被四个支耳均分。三角形支撑的横梁受到再沸器的重力为：，。

A、B两点的垂直反力分别为：；。

斜撑是受压杆件，承受的轴向力为：。

横梁为一端固定一端铰支的悬臂梁。横梁受力产生弯矩，各受力点的弯矩为：

支点A处弯矩：；固定点B处弯矩：；集中力点D处弯矩：；集中力点F处弯矩：。

横梁的弯矩由集中载荷产生，所以上述弯矩的最大值就是横梁承受的最大弯矩Mmax。由最大弯矩计算抗弯截面模量：，再根据W选择合适的型钢作为横梁。

斜撑需要考虑稳定性问题。本结构的斜撑由于支撑再沸器重量较重，笔者认为按小柔度压杆的力学模型进行计算较为合理，在型钢选用时应考虑所选型钢的最小惯性矩半径大、长度短，以满足小柔度压杆力学模型的要求。因此斜撑的临界载荷可以简化为：。

至此，横梁截面和斜撑截面计算完毕，如需必要，应调整L和Φ的数值，比较各项数据，使设计更加合理。

三、实例分析

本例中再沸器的充水重量G=156.8kN，再沸器耳座半径R=1386mm，再沸器中心载荷点与横梁固定点的距离H=2600mm。现设置斜撑作用横梁的位置A点，按R/3分段取点，分别取L=1676mm、L=2138mm、L=2600mm、L=3062mm、L=3524mm等情况，计算横梁各受力点的受力情况，见表1。

由表1所得数据：当L

对于斜撑的轴向力NC：斜撑夹角Φ不变的情况下，L愈小，斜撑的轴向力NC愈大；L逐渐加大时，NC逐渐减小，当L大于H，a值大于m以后，减小的趋势逐渐减缓。若再加大a值，斜撑的长度增加较多时，斜撑的截面尺寸需加大，消耗的材料增加，这种情况应详细计算，综合考虑。本例按a=596mm支撑点计算，斜撑角度定为Φ=60°，按实际受压轴向力NC=117.9kN选用[10槽钢即可满足设计要求。

四、结论

1.影响横梁的主要因素是横梁的弯矩，在相同工况下，支点A决定了横梁产生弯矩的大小。通过以上分析，推荐斜撑支点A的位置在a=m/2～m之间。

2.影响斜撑的主要因素是斜撑的轴向力，在支点A确定的情况下，斜撑的角度Φ决定了斜撑轴向力的大小。为使结构更加合理，金属材料得到更充分的利用。斜撑角度可选择Φ=45°～60°之间

3.拓宽适用范围：当再沸器只设置两个对称支耳时，令G1=G/2，G2=0即可建立计算模型。

参考文献：

[1] HG/T 21629-1999，管架标准图[S].

[2] 齐凯.立式设备上重型三角形支架设计[J].石油化工设备技术，1988，9（5）：58-62.

[3] 成大先.机械设计手册（第五版）[M].化学工业出版社，2008.

作者简介：夏良苗（1982-），男，浙江舟山人，2004年6月毕业于杭州电子科技大学，机械设计制造及其自动化专业，学士学位，工程师职称，长期从事压力容器设计工作。