油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和計(jì)算

馮先超

（河南工業(yè)大學(xué)　土木建筑學(xué)院，河南　鄭州　450001）

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油罐的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和計(jì)算

馮先超

（河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南鄭州450001）

摘要：隨著油罐的大型化和采用高強(qiáng)度鋼材，罐壁與罐徑之比相對(duì)減小。特別是從油罐的結(jié)構(gòu)來(lái)看，外浮頂油罐的上部是敞口的，不再另設(shè)頂蓋。因此，油罐罐壁的抗風(fēng)穩(wěn)定性越來(lái)越差。為了增加罐壁的剛度，除在壁板上緣設(shè)包邊角鋼外，在距壁板上緣1cm處還要設(shè)抗風(fēng)圈。而油罐的抗風(fēng)圈設(shè)計(jì)和計(jì)算，對(duì)其在風(fēng)力作用下的穩(wěn)定具有重要的作用。

關(guān)鍵詞：抗風(fēng)設(shè)計(jì)；抗風(fēng)圈；加強(qiáng)圈

1　抗風(fēng)圈的設(shè)計(jì)和計(jì)算

抗風(fēng)圈是由鋼板和型鋼拼裝的組合斷面結(jié)構(gòu)，其外形可以是圓的，也可以是多邊形的?？癸L(fēng)圈以上的罐壁承受張力，避免了油罐失穩(wěn)的危險(xiǎn)。

抗風(fēng)圈所需最小截面系數(shù)Wz可按下式計(jì)算：

式中，D為油罐內(nèi)徑，m；H為罐壁全高，m；Wz為抗風(fēng)圈所需最小截面系數(shù)，m3。

上式是基于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓W0=700Pa進(jìn)行推導(dǎo)的，當(dāng)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓W0＞700Pa時(shí)，上式所得數(shù)值還應(yīng)乘以W0/700。

抗風(fēng)圈與罐壁連接處上下各16倍壁板厚度范圍內(nèi)可以認(rèn)為能與抗風(fēng)圈同時(shí)工作，因而在計(jì)算抗風(fēng)圈的實(shí)際截面模數(shù)時(shí)應(yīng)計(jì)入此部分的面積。

英國(guó)及法國(guó)油罐標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)通常采用的Wz=0.082D2H計(jì)算式相同。英國(guó)油罐標(biāo)準(zhǔn)BS2654還規(guī)定當(dāng)油罐直徑D＞60m時(shí)，仍按60m計(jì)算抗風(fēng)圈的最小截面系數(shù)Wz，設(shè)計(jì)大型油罐時(shí)此規(guī)定可作參考。

美國(guó)油罐規(guī)范API650—1980對(duì)抗風(fēng)圈所需的最小截面系數(shù)Wz規(guī)定為：

式中，Wz為截面系數(shù)，in3；D為罐的公稱直徑，ft；H為罐壁高度，ft。

式（2）系根據(jù)風(fēng)速v=100mile/h（1mile=1.6km）推導(dǎo)出的，如采取其他風(fēng)速為依據(jù)時(shí)，則上式應(yīng)乘以（v/100）2。當(dāng)油罐直徑大于200ft時(shí)，按式（2）求出的抗風(fēng)圈截面系數(shù)Wz可以減小，但不得小于按直徑為200ft求出的截面系數(shù)Wz值。

在抗風(fēng)圈的組合截面中所使用的角鋼，一般最小尺寸為63mm×6mm，所使用的鋼板最小厚度為5mm?？癸L(fēng)圈上如有可能積存雨水時(shí)，則應(yīng)開設(shè)適當(dāng)數(shù)量的排液孔。抗風(fēng)圈或其一部分通?？勺鳛樽呃扔?，此時(shí)最小寬度為600mm，并在外側(cè)設(shè)置欄桿，且抗風(fēng)圈裝在距頂部包邊角鋼1 000mm處。

當(dāng)抗風(fēng)圈開有扶梯孔時(shí)（即扶梯穿過(guò)抗風(fēng)圈處的洞口），位于開洞外側(cè)的抗風(fēng)圈部分的截面系數(shù)Wz，即圖1所示，A—A，B—B，C—C各截面均應(yīng)滿足式（1）的要求。洞口處的罐壁應(yīng)用角鋼加強(qiáng)，角鋼兩端伸出的長(zhǎng)度應(yīng)不小于抗風(fēng)圈的最小寬度?？癸L(fēng)圈腹板開洞邊緣應(yīng)采用垂直安放的角鋼加強(qiáng)。以上任一加強(qiáng)件的橫截面積不應(yīng)小于32倍罐壁厚度范圍內(nèi)的罐壁截面積，扁鋼端面與罐壁之間應(yīng)采用雙面滿角焊，并于罐壁加強(qiáng)件焊接成整體［1］。

圖1 抗風(fēng)圈的扶梯穿過(guò)孔

抗風(fēng)圈本身的對(duì)接焊縫應(yīng)全部焊透，必要時(shí)在焊縫的下面可加設(shè)墊板?？癸L(fēng)圈與罐壁間在上部應(yīng)采取連續(xù)滿角焊，以避免雨水由罐壁與抗風(fēng)圈的間隙處流至保溫層內(nèi)，下部可采用間斷焊。用型鋼或型鋼與鋼板的組合體制造的抗風(fēng)圈，當(dāng)型鋼的水平肢式腹板的寬度超過(guò)其自身厚度的16倍時(shí)，均應(yīng)在抗風(fēng)圈下面設(shè)支承構(gòu)件。支承構(gòu)件的間距不應(yīng)超過(guò)型鋼垂直肢或抗風(fēng)圈邊緣構(gòu)件豎向尺寸的24倍，且必須與抗風(fēng)圈和罐壁焊接牢固，其焊接強(qiáng)度應(yīng)能承受抗風(fēng)圈自重等垂直荷載。

對(duì)于敞口油罐，當(dāng)抗風(fēng)圈設(shè)置在由罐壁頂部以下600mm范圍內(nèi)時(shí)，可不設(shè)置包邊角鋼；如設(shè)置在600mm以下時(shí)則必需設(shè)置包邊角鋼。這一包邊角鋼尺寸可參考國(guó)外有關(guān)規(guī)范選擇。譬如，日本JISB8501—1979規(guī)定，當(dāng)最上層壁板厚度為4.5mm時(shí)，角鋼尺寸取65mm×65mm× 6mm；若大于4.5mm時(shí)，取75mm×75mm×6mm。英國(guó)BS2654—1973規(guī)定，當(dāng)最上層壁板厚度為5mm時(shí)，角鋼尺寸取60mm×60mm×5mm；若大于或等于6mm時(shí)，取75mm×75mm×6mm。美國(guó)API650—1977規(guī)定，當(dāng)抗風(fēng)圈安裝位置在距罐壁上沿2ft以下時(shí)，上層壁板厚度為3/ 16in，應(yīng)裝2.5×2.5×3/16in的角鋼；厚度為3/16in以上時(shí)，應(yīng)裝3×3×1/4in的角鋼。但API650—1980中取消了這一規(guī)定。

2　加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)

設(shè)置了抗風(fēng)圈之后。罐體的上部保持了圓度，但抗風(fēng)圈下面的筒體仍有可能局部被吹癟，為解決這個(gè)問(wèn)題，還需在下部適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置加強(qiáng)圈。

加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)與計(jì)算存在的第一個(gè)問(wèn)題是罐外壁風(fēng)壓分布很不均勻。如前所述，這可簡(jiǎn)化為均勻外壓?jiǎn)栴}來(lái)處理，這樣處理的結(jié)果偏于安全。

加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)與計(jì)算存在的第二個(gè)問(wèn)題是油罐為階梯形變截面圓筒，筒體母線無(wú)法用一個(gè)單一的方程式來(lái)表達(dá)，這給計(jì)算帶來(lái)了困難。為解決此問(wèn)題，英國(guó)首先提出了“當(dāng)量高度”的概念。因?yàn)橥鈮簣A筒的臨界壓力與壁厚成正比，與高度和直徑成反比，于是就可以把壁厚大于δmin的各筒節(jié)折算成直徑相同、穩(wěn)定性相同但壁厚為油罐罐壁最小厚度δmin的筒節(jié)。經(jīng)過(guò)折算后的筒節(jié)高度稱為當(dāng)量高度。這樣就可以把一個(gè)階梯形的變截面的罐折合成一個(gè)想象中的等壁厚罐。這個(gè)壁厚為δmin的等壁厚罐抵抗失穩(wěn)的能力與真實(shí)的罐相同。換句話說(shuō)，這個(gè)想象中的罐不失穩(wěn)，真實(shí)的罐也不會(huì)失穩(wěn)；想象中的罐需要增設(shè)幾個(gè)加強(qiáng)圈，真實(shí)的罐也需要增設(shè)幾個(gè)加強(qiáng)圈。這個(gè)方法已為多國(guó)規(guī)范所采用。

對(duì)于SH3046—1992加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)方法。

該方法以薄壁短圓筒在外壓作用下的臨界壓力計(jì)算公式為基礎(chǔ)，參考BS2654關(guān)于當(dāng)量長(zhǎng)度的概念得出的，其方法簡(jiǎn)單，概念清晰。

式中，Pcr為罐壁臨界壓力，Pa；δmin為罐壁最薄壁板厚度，mm；D為油罐內(nèi)徑，m；HE為當(dāng)量高度，m；Hei為第i圈罐壁板的當(dāng)量高度，m；對(duì)于浮頂罐，頂圈罐壁只計(jì)入抗風(fēng)圈以下的部分；hi為第i圈罐壁板的實(shí)際高度，m；對(duì)于浮頂罐，只計(jì)入抗風(fēng)圈以下的部分；δi為第i圈罐壁板的規(guī)格高度。

參考文獻(xiàn)：

［1］徐至鈞，許朝銓，沈珠江.大型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與地基處理［M］.北京：中國(guó)石化出版社，1999.

作者介紹：馮先超（1991-），男，在讀碩士，研究方向：防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程、結(jié)構(gòu)工程和油田構(gòu)筑物等。

中圖分類號(hào)：TE972

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5168（2016）02-0066-02

收稿日期：2016-01-18

Wind Resistant Design and Calculation of Oil Tanks

Feng Xianchao
（Henan University of Technology，Civil Engineering and Architecture College，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract:With the large scale of oil tanks and the use of high strength steel,the ratio of tank wall to tank diameter is relatively small.Especially from the structure of the oil tank,the upper part of the outer floating roof is open,no longer the other top cap,therefore,the stability of the wall of the tank is getting worse and worse.In order to increase the stiffness of tank wall,except in the panel on the edge of a wrap?ping angle,but also a fengjuan at a distance of 1 cm away from the upper edge of panel should be set?tled.The tank fengjuan design and calculation has an important effect on its stability in the wind loads.

Keywords:wind design；fengjuan；reinforcing ring