化工设备机械基础课程设计（浮阀塔设计）

化工设备机械基础课程设计

化工设备机械基础课程设计

——浮阀塔设计

学院名称： 化学与环境工程学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 08化工2W 姓 名： 陈慧媛

2011 年 12月

化工设备机械基础课程设计

目 录

第1章 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 课程设计的性质和任务 ....................................................................................... 1 1.2 课程设计的要求 ................................................................................................... 1 1.3 课程设计的内容 ................................................................................................... 1 1.4 课程设计的步骤 ................................................................................................... 2 1.4.1 准备阶段 ........................................................................................................ 2 1.4.2 机械设计阶段 ................................................................................................ 2 1.4.3 设计计算说明书 ............................................................................................ 2 1.4.4 课程设计答辩 ................................................................................................ 2 第2章 设计参数及要求 ................................................................................................ 3 2.1 设计参数 ............................................................................................................... 3 2.2 已知设计条件 ....................................................................................................... 3 第3章 塔体机械设计 .................................................................................................... 5 3.1按计算压力计算塔体及封头厚度 ........................................................................ 5 3.1.1塔体厚度计算 ................................................................................................. 5 3.1.2封头厚度计算 ................................................................................................. 5 3.2塔设备质量载荷计算 ............................................................................................ 5 3.2.1筒体、圆筒、封头、裙座的质量 ................................................................. 6 3.2.2塔内构件的质量 ............................................................................................. 6 3.2.3保温层的质量 ................................................................................................. 7 3.2.4平台、扶梯的质量 ......................................................................................... 7 3.2.5操作时物料的质量 ......................................................................................... 8 3.2.6附件的质量 ..................................................................................................... 8 3.2.7充水的质量 ..................................................................................................... 8 3.2.8偏心质量 ......................................................................................................... 9 3.3风载荷与风弯矩的计算 ...................................................................................... 10 3.3.1风载荷的计算 ............................................................................................... 10 3.3.2风弯矩的计算 ............................................................................................... 12 3.4地震弯矩的计算 .................................................................................................. 12 3.4.1地震载荷的计算 ........................................................................................... 12

化工设备机械基础课程设计

3.4.2地震弯矩的计算 ........................................................................................... 14 3.5偏心弯矩的计算 .................................................................................................. 15 3.6各种载荷引起的轴向应力 .................................................................................. 16 3.6.1计算压力引起的轴向应力 ........................................................................... 16 3.6.2操作质量引起的轴向应力 ........................................................................... 16 3.6.3最大弯矩引起的轴向应力 ........................................................................... 17 3.7塔体和裙座危险截面强度与稳定性校核 .......................................................... 17 3.7.1截面的最大组合轴向拉应力校核 ............................................................... 17 3.7.2塔体与裙座稳定性校核 ............................................................................... 18 3.8塔体水压试验和吊装时的应力校核 .................................................................. 19 3.8.1水压试验时各种载荷引起的应力 ............................................................... 19 3.8.2水压试验时应力校核 ................................................................................... 19 3.9基础环设计 .......................................................................................................... 20 3.9.1基础环尺寸 ................................................................................................... 20 3.9.2基础环的动力校核 ....................................................................................... 20 3.9.3基础环的厚度 ............................................................................................... 21 3.10地脚螺栓设计 .................................................................................................... 21 3.10.1地脚螺栓的最大拉应力 ............................................................................. 21 3.10.2地脚螺栓的螺纹小径 ................................................................................. 22 第4章

塔结构的设计 ........................................................................................... 23

4.1塔盘结构 .............................................................................................................. 23 4.2塔盘的支撑 .......................................................................................................... 24 参考文献 ........................................................................................................................ 25 设计结果及总结 ............................................................................................................ 26 附录一 主要符号说明 .................................................................................................. 27

化工设备机械基础课程设计

第1章 绪论

1.1 课程设计的性质和任务

（1） 通过学习培养学生综合运用《化工设备基础》及有关先修课程的基本知识，进行典型中、低压化工设备设计。

（2） 培养学生熟悉、查阅并综合运用各种有关的设计手册、规范、标准、图册等设计技术资料。使学生树立正确的设计思想，掌握设计的基本方法和步骤以及处理工程实际问题的能力。

1.2 课程设计的要求

（1） 根据专业特点和要求进行选题（换热器、塔式容器、反应器等）。工艺参数由《化工原理》课程设计完成，化工设备设计要求完成强度设计计算、总体结构设计、绘制设备装配图，编制设计计算说明书。

（2） 通过学习，掌握化工设备设计的基本方法和步骤，提高设计、计算、绘图的能力，加强计算机应用能力以及处理工程实际问题的能力。

1.3 课程设计的内容

根据教学大纲要求，完成一种典型设备的机械设计，工作量包括：设备总装配图1张，零件图1—2张，设计计算说明书1份。

成绩评定：总成绩=工作态度（30%）+设计计算（30%）+图文表达（20%）+独立工作能力（10%）+答辩（10%）

1

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1.4 课程设计的步骤

1.4.1 准备阶段

（1） 设计前应预先准备好设计资料、手册、图册、计算和绘图工具、图纸及报告纸等；

（2） 认真研究设计任务书，分析设计题目的原始数据和工业条件，明确设计要求和设计内容；

（3） 设计前应认真复习有关教科书、熟悉有关资料和设计步骤；

（4） 有条件应结合现场参观，熟悉典型设备的结构，比较其优点，以便择出较适当的结构为己用。

1.4.2 机械设计阶段

（1） 全面考虑按压力大小、温度高低和腐蚀性大小等因素来选材。 （2） 选用零部件。

（3） 计算外载荷，常用列表法、分相统计的方法来进行。 （4） 强度、刚度、稳定性设计和校核计算。 （5） 传动设备的选型、计算。 （6） 绘制设备总装图。 （7） 绘制零部件图。 （8） 提出技术要求。

1.4.3 设计计算说明书

（1） 目录； （2） 设计任务书；

（3） 设计方案的分析和拟定； （4） 各部分尺寸的确定和设计计算； （5） 设计小结； （6） 参考资料；

1.4.4 课程设计答辩

2

化工设备机械基础课程设计

表3-5平台、扶梯分段质量

0-1 38

1-2 114.8

2-3 876.8868

3-4 1164.8868

4-5 1108.8868

5-6 1100.8868

3.2.5操作时物料的质量

取板上液层高度hw?100mm，塔低液高度h0?2.47m，封头容积V?3.4567m3

?操作时物料质量：m05?Di2?hwN?h0??1?V?1

4m05?0.785?2.92?0.1?40?2.47??800?3.4567?800?37094.98kg

表3-6操作物料分段质量

0-1 0

1-2 2765.36

2-3 3168.888

3-4 16900.736

4-5 6865.924

5-6 7394.072

3.2.6附件的质量

依照经验取ma?0.25m01?0.25?23822.4102?5955.603kg

表3-7附件分段质量

0-1 204.655

1-2 836.4525

2-3 129.2565

3-4 1680.3345

4-5 1378.736

5-6 1726.1675

3.2.7充水的质量

?4mw?Di2H0?w?2Vf?w?0.785?2.92?21.8?1000?2?3.4567?1000?150833.73kg

8

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表3-8充水分段质量

0-1 0

1-2 3456.7

2-3 3961.11

3-4 51494.43

4-5 42251.84

5-6 49669.65

3.2.8偏心质量

操作质量：m0?m01?m02?m03?m04?m05?ma?me?101739.74kg 偏心质量：me?4000kg

表3-9偏心分段质量

0-1 0

1-2 1400

2-3 2600

3-4 0

4-5 0

5-6 0

表3-10质量汇总表

塔体分段质量 塔内构件分段质量 温层分段质量 平台、扶梯分段质量 操作物料分段质量 附件分段质量 充水分段质量 操作时分段质量 偏心分段质量 最大质量 最小质量

0-1 818.62 0 0 38 0 204.655 0

1-2 3345.81 0 223.44 114.8 2765.36

2-3 517.026 0 170.916 876.8868 3168.888

3-4 6721.338 6436.8 2221.91 1164.8868 16900.736 1680.3345 51494.43 35126.01

0

4-5 5514.944 6436.8 1823.11 1108.8868 6865.924 1378.736 42251.84 23128.4 0

5-6 6904.67 6931.94 2217.47 1100.8868 7394.072 1726.1675 49669.65 26275.21

0

836.4525 129.2565 3456.7

3961.11

1061.275 8685.863 7462.973

0

1400

2600

mmax?m01?m02?m03?m04?mw?ma?me?215478.4882kg mmin?m01?0.2m02?m03?m04?ma?me?48800.3182kg

9

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3.3风载荷与风弯矩的计算

3.3.1风载荷的计算

塔体外径：D0?Di?2?n?2900?24?2924mm，笼式扶梯宽度：K3?400mm， 塔顶管线外径：d0?mm，温层厚度：?s?100mm 塔体各段长度li：

0-1 950

1-2 2870

2-3 600

3-4 7800

4-5 6400

5-6 8030

各段平台数n：

0-1 0

1-2 0

2-3 1

3-4 1

4-5 1

5-6 1

平台构件投影区面积：?A?900?1000?9?105mm2

0 0

0 0

1

1

1

1

9?105 9?105 9?105 9?105

操作平台当量宽度：K4?0-1 0

1-2 0

2?Al02-3 3000

3-4 230.769

4-5 281.25

5-6 224.159

各段有效直径/mm：Dei?D0i?2?si?K4?d0?2?pi

0-1 3724

1-2 3724

2-3 6724

3-4 3954.769

4-5 4005.25

5-6 3948.159

10

化工设备机械基础课程设计

各截面到地面高度hit/m：

0-1 0.95

1-2 3.82

2-3 4.42

3-4 12.22

4-5 18.62

5-6 26.65

风压高度变化系数fi：由场地为B类(参考《化工设备机械基础课程设计指导书》第二版，化学工业出版社，第86页,表5-23)，查得

0-1 1.0

1-2 1.0

2-3 1.0

3-4 1.062

4-5 1.164

5-6 1.26

体系系数：K1?0.7 基本风压值：q0?400N/m2 塔设备的自振周期：T1?90.33Hm0H?10?3?0.5823s t3E?eDi塔设备自震周期：q0T12?400?0.58232?135.63Ns2/m2

脉动增大系数?：由q0T12?135.63Ns2/m2，查得??1.937(参考《化工设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第242页,表8-6)

脉动影响系数vi：(参考《化工设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第242页,表8-7)

0-1 0.72

1-2 0.72

2-3 0.72

3-4 0.736

4-5 0.78

5-6 0.82

由hitH得：

0-1 0.0356

1-2 0.1433

2-3 0.1659

3-4 0.4585

4-5 0.6987

5-6 1

再由hitH，u?1查得(参考《化工设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第242页,表8-8)

11

化工设备机械基础课程设计

各段振型系数?zi：

0-1 0.00712

1-2 0.03372

2-3 0.04636

3-4 0.294

4-5 0.5883

5-6 1

各段风振系数KZi：KZi?1?0-1 1.147

1-2 1.591

?vi?zifi

3-4 1.935

4-5 2.2989

5-6 2.419

2-3 1.684

?6各段风载荷:Pi?K1KZiq0filiDei?10

0-1 215.878

1-2 3637.585

2-3 1681.31

3-4 15526.388

4-5 19206.167

5-6 27056.687

3.3.2风弯矩的计算

0?0Mw?P1l?l1l????P2?l1?2?????????P6?l1?l2?l3?l4?l5?6??1.05?109N?mm 22?2???l?l?l2???P3?l2?3?????????P6?l2?l3?l4?l5?6??9.896?108N?mm 22?2???l3l?l????P4?l3?4?????????P6?l3?l4?l5?6??8.022?108N?mm 22?2???1—1截面

9.896?108

1?1Mw?P22?2Mw?P3

0—0截面

1.05?109

2—2截面

8.022?108

3.4地震弯矩的计算

3.4.1地震载荷的计算

12

化工设备机械基础课程设计

计算内容 0—0截面 105 111.6 126 107.1 111.6

1—1截面 105 111.6 126 107.1 111.6

2—2截面 170 141.6 204 173.4 141.6

???

KB

t

K??? K????

tt ???cr

圆筒最大组合压应力?2??3： 对内压塔?2??3????cr（满足要求） 0—0截面 51.61

圆筒最大组合压应力?1??2??3：

对内压塔?1??2??3?K????（满足要求） 0—0截面 29.69

1—1截面 30.88

2—2截面 84.327

t1—1截面 53.26

2—2截面 42.522

3.7.2塔体与裙座稳定性校核

塔体截面2-2上的最大组合轴向压应力

2?2?max??1??22?2??32?2

?61.625?9.91?32.612?84.327MPa????cr?minKB,K????min?141.6,204??141.6Mpa 满足要求

其中A??t?0.0940.094??6.483?10?4 Ri?e1450/10塔体1-1截面上的最大组合轴向压应力：

1?11?11?1?max??2??3?53.26MPa

1?1?max?53.26Mpa????cr?minKB,K????min?111.6,126??MPa?

?t?满足要求 其中A?0.094?6.483?10?4

Ris?es18

化工设备机械基础课程设计

塔体截面0-0上的最大组合轴向压应力：

0?00?00?0?max??2??3?10.961?40.6553?51.6163MPa

0?0?max?51.6163MPa????cr?minKB,K????min?111.6,126??111.6MPa

?t?满足要求

3.8塔体水压试验和吊装时的应力校核

3.8.1水压试验时各种载荷引起的应力

试验介质密度：?s?1000kg/m3 液柱高度：Hw?26.65m 液柱静压：?sgHw?0.26MPa 试验压力：pT?1.25p???t????1.25?0.85?1?1.0625MPa

试验压力和液柱静压力引起的环向应力：

?p?rgH??Di??ei?=(1.0625?0.26)(2900?10)=192.424MPa ?T?Tsw2?ei2?10试验压力引起的轴向啦应力：

pD1.0625?2900?T1?Ti==77.031MPa

4?ei4?10最大质量引起的轴向压应力： 2-2截面处最大质量：

2?2mT?215478.4882?1061.275?9377.2025?205040.011kg

2?2mTg205040.011?9.81?T2???22.089MPa

?Di?e3.14?2900?10弯矩引起的轴向应力

?T3?2?24?(0.3Mw?Me)?4Di2?e4(0.3?8.022?108?7.848?107)??19.32MPa

0.785?29002?103.8.2水压试验时应力校核

筒体常温屈服点?s=345Mpa 2-2截面0.9?sK?372.6MPa

19

化工设备机械基础课程设计

测压试验时：?T?192.424<0.9?sK，满足要求 压力试验时圆筒最大组合应力：

?T1??T2??T3?77.031?22.089?19.32?74.262MPa

液压试验时：?T1??T2??T3?74.262?0.9K?s?(满足要求)

?T2??T3?22.089?19.32?41.409????cr(满足要求)

3.9基础环设计

3.9.1基础环尺寸

裙座内径：Dis?2900mm

裙座外径：Dos?2900?20?2920mm 基础环外径：D0b?2900?300?3200mm

基础环内径：Dib?2900?300?2600mm

11基础环伸出宽度：b??Dob?Dos???3200?2920??140mm

22相邻两筋板最大外侧间距：l?200mm(参考《化工设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第251页,表8-11) 基础环面积：Ab??D?42ob2?Dib?0.785(32002?26002)?2.732?106mm2

?基础环截面系数： Zb?4??D4?Dib?ob32Dob3.14(32004?26004)??1.814?109mm3

32?32003.9.2基础环的动力校核

基础环材料的许用应力???b?140Mpa 水压试验时压应力?b1：

0?0Mmaxm0g2.684?109101739.7382?9.81?b1?????1.845MPa 96ZbAb1.814?102.732?10操作时压应力?b2：

?b20?00.3Mw?Memmaxg0.3?1.05?109?7.848?107215478.4882?9.81?????0.991MPaZbAb1.814?1092.732?10620

化工设备机械基础课程设计

混凝土基础上的最大压力?bmax：

取以上俩者较大的?bmax?1.845MPa。选75号混凝土Ra?3.5MPa

?bmax?1.845?Ra?3.5MPa，满足要求

3.9.3基础环的厚度

???b?140MPa；C?3mm

b?11?Dob?Dos???3200?2920??140mm 22假设螺栓直径为M42，查得l?160mm(参考《化工设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第251页,表8-11)

当b/l?140/160?0.88时，查得：(参考《化工设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第250页,表8-10) 对X轴的弯矩：

Mx??0.1482?bmaxb2??0.1482?1.845?1402??5359.2?N?mm?

对Y轴的弯矩：

My?0.0848?bmaxl2?0.0848?1.845?1602?4005.27?N?mm? 取其中较大的值Ms?5359.2?N?mm? 按有筋板时计算基础环厚度：

?b????b6Ms?C?6?5359.2?3?18.16mm

140所以最后圆整到?n?20mm

3.10地脚螺栓设计

3.10.1地脚螺栓的最大拉应力

0?00?00?0?MW?MemmingME?0.25Mw?Mem0g??B?max??,??

ZbAbZbAb??其中Me?7.848?107?N?mm?

mmin?48800.3182kg

0?0 ME?2.343?109?N?mm?

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化工设备机械基础课程设计

0?0 Mw?1.05?109?N?mm?

m0?101739.7382kg

Zb?1.814?109mm3

Ab?2.732?106mm2

90?0MW?Memming?1.05+2.343??1048800.3182?9.81?B1?????1.695MPa

ZbAb1.814?1092.732?1060?00?0ME?0.25Mw?Mem0g ??ZbAb?B22.343?0.25?1.05?0.07848??109101739.74?9.81????1.176MPa

1.814?1092.732?106取以上两数中较大值?B?1.695MPa

3.10.2地脚螺栓的螺纹小径

?B?0,选取地脚螺栓个数n=40个；???bt?147MPa；C2?3mm

4?BAb4?1.695?2.732?106?C2??3?34.67mm 则d1??n???bt3.14?40?147圆整到42mm 所以选取40?M42的螺栓（参考《化工设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第253页,表8-13）

22

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第4章 塔结构的设计

4.1塔盘结构

塔盘在结构方面要有一定的刚度，以维持就水平；塔盘与塔壁之间应有一定的密封性，以避免弃、液短路；塔盘应便于制造、安装、维护，并且成本要低。 （1）塔盘

塔盘结构有整块式与分块式两种。塔径在800~900mm以下时，建议采用整块式塔盘，塔径在800~900mm以上时，一般选用分块式塔盘。

本塔直径为2900mm，故选用分块式塔盘。

在直径较大的板式塔中，如果仍然用整块式塔盘，则由于刚度的要求，势必要增加塔盘板的厚度，而且在制造、安装与检修等方面都很不方便。因此，当塔径在800~900mm以上时，都采用分块式塔盘。此时塔身为一焊制整体圆筒，不分塔节。而塔盘系分成数块，通过人孔送进塔内，装到焊在塔内壁的塔盘固定件上。塔盘分块，应该使结构简单，装拆方便，有足够刚度，便于制造、安装和检修。一般采用自身梁式塔盘板，有时也采用槽式塔盘板。

这两种结构的特点是：

(1)结构简单，装拆方便。将塔盘板冲压折边，使其具有足够刚度，不但可简化塔盘结构，而且可少耗钢材。

(2)制造方便，模具简单，能以通用模具压成不同长度的塔盘板。

分块塔盘板的长度L随塔径大小而异，最长可达2200mm。宽度B由塔体人孔尺寸、塔盘板的结构强度及升气孔的排列情况等因素决定。例如，自身梁式塔盘板为60~80mm，槽式塔盘板为30mm。对于塔盘板厚，碳钢为3~4mm，不锈钢为2~3mm。

分块式塔盘之间的连接，根据人孔位置及检修要求，分为上可拆连接和上、下可拆连接两种。常用的紧固构件是螺栓和椭圆垫板。

塔盘板安放于焊在塔壁上的支持圈上。塔盘板与支持圈的连接一般用卡子。这种塔盘紧固方式虽然被普遍采用，但所用紧固构件加工量大，装拆麻烦，而且螺栓需用抗锈蚀材料。另一种紧固方式是用楔形紧固件，其特点是结构简单，装拆方便，不用特殊材料，成本低等。

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4.2塔盘的支撑

对于直径不大的塔（直径在2000mm一下），塔盘的支撑一般用焊在塔壁上的支持圈。支持圈一般用扁钢弯制成或将钢板切为圆弧焊成，有时也有用角钢。若塔盘版的跨度较小，本身强度足够，这不需要支撑梁。

本它直径为2900mm，选用扁钢弯制的支撑圈，加支撑梁。

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参考文献

【1】蔡纪宁,张秋翔. 《化工机械设备基础课程设计指导书》. 北京：化学工业出版社，2000.6

【2】刁玉玮,王立业,喻建良. 《化工机械设备基础》.大连：大连理工出版社（第六版），2006.12

【3】熊洁羽. 《化工制图》.北京：化学工业出版社，2005.6

【4】路秀林,王者相.《化工设备设计全书-塔设备》.北京：化学工业出版社，2004.01

【5】朱有庭,曲文海,于浦义．《化工设备设计手册》.北京：化学工业出版社(第一版)，2005.6

【6】顾芳珍,陈国恒．《化工设备设计基础》.北京：化学工业出版社，2000.6

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设计结果及总结

经过两个星期的课程设计结束了，这也是我第一次接触化工生产的实际内容，课程设计给我最深刻印象是实际生产比课堂上理论知识更加复杂，我感到很多不足。在课程设计的过程中，我们经历了感动，经历了一起奋斗的酸甜苦辣。也一起分享了成功的喜悦。这次的课程设计对我们每个人来说都是一个挑战。知识接触的就不是很多，而且对于软件我就更抓狂了。这时候小组的力量就体现出来了，各司其职，各尽其能。发挥了集体的效用。

在本次设计中我参考了大量的书籍。由于专业书籍的不足，不得不参阅其他文献的设计方法和经验，在设计中，很多方面的数据的取值不得不参照课本上的例题进行保守估计。设计中的运算量和工作量也是巨大的，下面是主要的计算结果：

塔体圆筒名义厚度为12mm，塔体的封头名义厚度为12mm，裙座圆筒的名义厚度为12mm，基础环名义厚度为20mm，地脚螺栓个数40个，地脚螺栓公称直径42mm，以上数值基本满足设计的强度和稳定性要求。

本次课程设计是以一人的形式进行的，所以设计任务相对较重，但在工作中我认真负责，绝不含糊过关，有不懂得地方请教老师或同学，在此短短的两个星期中，我尽自己的努力完成这份课程设计，但由于我也是第一次做也毫无经验，所以不乏报告中有一些错误，考虑不全的地方，还恳请老师给予纠正，我相信这也是我学习得一次机会，最后，感谢我的带队老师。

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附录一 主要符号说明

塔内直径 Di 塔体高度 H 笼式扶梯高度-HF 设计压力 P 设计温度 t 许用应力 ??? 弹性模量 E 常温屈服点 ?s 厚度附加量 C 综合影响系数-CZ 焊接接头系数 ? 介质密度 ? 塔盘数 N

塔盘介质层高度 hw 基本风压值 q0 平台质量-qp 笼式扶梯质量-qF 偏心质量 me 充液质量-mw 塔外保温层厚度 ?s 检查加强管厚度-?m 圆筒计算厚度-? 设计厚度-?c 名义厚度-?n 有效厚度-?e 封头计算厚度-?h 封头设计厚度-?hc 封头名义厚度-?hn 检查加强管长度-lm

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保温材料密度 ?2 人孔个数 n 自振周期 T1

各类土场的特征周期-Tg 基本振型参与系数 ?k 地震影响系数 ?1 水平地震力-Fk1 垂直地震力-Fi?iv 地震弯矩-Mi-iE 风压高度变化系数-K1 脉动增大系数-? 风弯矩-Mi-iw

裙座筒体的截面积-Asm 裙座筒体的截面系数-Zsm 基础环伸长宽度-b 基础环面积-Ab 圆筒材料许用应力-???cr

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