裙座、鞍座、耳座、支腿地脚螺栓分析

[1] 张明, 褚建伟. GB 150—2011、ASME Ⅷ-1及EN 13445 压力容器设计中地脚螺栓的受力分析及应力判定的比较[J]. 化工设备与管道, 2019, 56(4).

[2] 塔式容器：NB/T47041-2014[S].

[3] 卧式容器：NB/T47042-2014[S].

1. 受力分析

裙座的地脚螺栓，用于塔体抗倾覆时承受拉应力，受力最大的是位于风向和地震方向最外端的地脚螺栓，而其他位置的地脚螺栓受力将依次减小。一旦受力最大的地脚螺栓因过载而屈服的话，其他螺栓承受的载荷将重新分配，而不致使整个塔器立即发生倾倒。所以，裙座的地脚螺栓以承受由风载荷或地震载荷引起的拉应力为主。

对于H/D>5，即适用NB/T47041正文的塔器，应按标准7.13.2校核螺栓承受最大的拉应力。但对于H/D≤5的塔器，应按NB/T47041的附录E.4校核地脚螺栓剪应力。

鞍座的地脚螺栓，应考虑地震载荷工况下的剪应力和拉应力，当地震载荷引起的水平地震力大于底板与基础间的静摩擦力时，应计算由地震力引起的地脚螺栓剪应力，同时还应计算由横向倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力。一般来说，由地震载荷引起的倾覆力矩往往不足以使卧式容器有翻倒的危险。所以，鞍座的地脚螺栓以承受由地震载荷引起的剪应力为主。

地脚螺栓拉应力、剪应力按NB/T47042的7.8.3进行校核。

耳座的地脚螺栓，应考虑风载荷和地震载荷工况下的拉应力和剪应力，当计算地脚螺栓的拉应力时，应考虑设备安装（此时内件和保温未安装，设备重量最小）和风载荷的组合苛刻工况，此时最大的拉应力在向风侧，该区域产生的弯矩最大，地脚螺栓受力最苛刻，耳座极可能翻倒。所以，耳座的地脚螺栓以承受由风载荷引起的拉应力为主。

在耳式支座标准没有地脚螺栓校核的内容，可参考化工设备设计全书之《化工容器》的8.1。

支腿的地脚螺栓，文献[1]没有提及，同样可参考化工设备设计全书之《化工容器》的8.2。支腿的地脚螺栓的作用在于，使容器在水平力和外力矩的作用下不致倾倒，当容器空载时垂直载荷最小，最有可能倾覆。应校核地脚螺栓在最小垂直载荷、最大水平力和外力矩联合作用下的拉应力。

如果容器自身垂直载荷足够大，地脚螺栓中不存在拉应力（数值为负或零），也应加设地脚螺栓用于固定。

2. 地脚螺栓许用应力

众所周知，法兰等用于承压密封的螺栓材料，其许用应力的安全系数远远高于对地脚螺栓，即用于承压密封的螺栓材料具有较低的许用应力。两者最大的区别在于，如果法兰螺栓有一个屈服，将无法在各个螺栓中重新分配载荷，而是会直接导致法兰密封失效。事实上，所有法兰螺栓是均匀承载的，如果一个螺栓屈服，也就意味着所有螺栓屈服。

GB 150、ASME、EN等标准中地脚螺栓许用应力的取值，不尽相同，见下表。文献[1]作者认为，因为各国材料、工程经验上的差异，所无需纠结于哪个标准保守，哪个标准冒进。

常用的地脚螺栓材料为GB/T 700《碳素结构钢》的Q235和GB/T 1591《低合金高强度钢》的Q345。