第6章 抗風設計

教學內(nèi)容第六章立式鋼油罐的抗風設計

§6-1風載荷的分布和計算§6-2抗風圈的設計和計算§6-3加強圈的設計和計算教學目標1、掌握風壓的計算，理解并熟悉風載荷對罐的作用，掌握設計風壓的計算；2、了解抗風圈的結構要求，熟悉抗風圈的作用及位置，會計算抗風圈所需的最小截面系數(shù)及抗風圈下支托的最大間距；3、了解立式圓柱形油罐罐壁的穩(wěn)定性及防止失穩(wěn)的措施，掌握加強圈的設計及相關尺寸的計算。引言

歷史上曾發(fā)生過一些油罐罐壁被風吹癟的事故，這種破壞雖然并不意味著油罐全部報廢，但維修費用很高。因此，不僅要考慮油罐的強度問題，而且要考慮在風壓作用下的穩(wěn)定問題。如何保證大型貯罐在風壓和負壓或者兩者同時作用下的問題已引起了人們的高度重視?！耧L壓的計算①

風速的確定

據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009-2012）規(guī)定，我國的標準風速是以一般平坦地區(qū)，離地面10米高，30年一遇的10分鐘平均最大風速為依據(jù)的。因此，風速資料來源于氣象部門的歷史記載。如涪江跨越管道工程在設計時考慮了江油此前近幾十年來的風速記錄，在廣州和貴陽等地設有風速與風壓觀測站?！?-1風載荷的分布和計算②基本風壓（或標準風壓）W0（6-1~2）

由此可見，T↓、ω↑、W0↑；在高原ω↓、W0↓;空氣濕度↑、ω↑、W0↑?！?-1風載荷的分布和計算●風載荷對敞口罐的作用（假設風壓沿罐壁四周是均布的）

貯罐的風壓分布規(guī)律是研究罐壁穩(wěn)定性的最原始數(shù)據(jù)。

罐外壁風壓分布風向駐點60°吸力壓力（約20°范圍內(nèi)≈W0）123K罐壁中部環(huán)向風壓分布3—1-2：分布不均，理論上無法計算罐壁的臨界壓力，故假設風壓為均勻外壓，但風洞實驗表明該假設偏于安全。1—外壁：局部正壓2—內(nèi)壁：全為負壓§6-1風載荷的分布和計算駐點線上內(nèi)外壁風壓分布21LminK1—外壁風壓2—內(nèi)壁風壓敞口罐駐點處的實際風壓：外壓W0+內(nèi)壁吸力0.5W0＝1.5W0

；系數(shù)1.5稱為體型系數(shù)，用K1表示?！?-1風載荷的分布和計算式中K1——罐體體型系數(shù)，可取K1＝1.5；

Kz——高度變化系數(shù)（表6-1），GB50009-2001是以離地10m為基準的，離地面越高，風壓越大；

K2——轉(zhuǎn)換系數(shù)，可取K2＝2.25?！裨O計風壓的計算（應考慮風壓和罐內(nèi)負壓）⑴對敞口罐如浮頂罐（有風的吸力），則：（6-3）§6-1風載荷的分布和計算§6-1風載荷的分布和計算①時距：測量最大平均風壓的時間間隔。時距↓，最大平均風壓↑；②世界各國時距：60、20、10、5、1min（我國為10min，故不能直接套用別國的標準風壓值）。③設計罐時應以瞬時風速或風壓為依據(jù)：油罐在運行中，當某一瞬間的風壓＝Pcr時，它可能被吹癟。④瞬時風速：時距為3秒鐘的Vmax，目前我國主要城市的基本風壓都是10分鐘內(nèi)的Vmax

，故需乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)K2，使其折合成3s的瞬時風壓?！?-1風載荷的分布和計算⑶對內(nèi)浮頂罐（無風的吸力和罐內(nèi)負壓），則：（6-5）⑵對固定頂罐如拱頂罐（無風的吸力、但有罐內(nèi)負壓），則：（6-4）式中K3——呼吸閥開啟滯后系數(shù)，一般取1.2；

p——呼吸閥負壓起跳壓力，kgf/m2?！?-1風載荷的分布和計算⑵位置：抗風圈一般設在距罐頂端1m左右的外壁上。⑴

作用：浮頂罐無固定頂蓋，為使其在風載作用下保持上口圓度，以維持其整體形狀；此外，還可兼作平臺走道?！窨癸L圈的作用及位置§6-2抗風圈的設計和計算●抗風圈滿足強度要求所必需的最小截面系數(shù)Wz式中[σ]—材料的許用應力，kgf/cm2，考慮到載荷屬于非經(jīng)常性的最不利情況，且應力是彎曲應力，故取[σ]＝0.9σs;Mmax—圓拱的跨中彎矩，kgf-cm，;θ—圓拱對應的圓心角，θ＝60°＝1.047弧度；§6-2抗風圈的設計和計算P0—罐壁駐點線上單位弧長的風載荷，kgf/cm，由風洞試驗得出：；

H——罐壁總高，cm；

P1——設計風壓，kgf/cm2，，其中K1＝1.5，Kz＝1.15（取離地15米高處的值），W0＝70kgf/m2。將上述數(shù)據(jù)代入得：（6-6）§6-2抗風圈的設計和計算選擇抗風圈截面時，應滿足的條件：

Wmin≥Wz

若建罐地區(qū)的基本風壓W0>70kgf/m2（如少數(shù)沿海地區(qū)），應將上述結果再乘以W0/70，即：式中Wmin—實際采用抗風圈的最小截面系數(shù)，計算時應計入抗風圈上、下兩側各16ts范圍內(nèi)的罐壁截面積（當罐壁加有腐蝕裕量時，計算時應扣除）?！?-2抗風圈的設計和計算●抗風圈的結構要求⑴抗風圈的外周邊可以是圓形或多邊形；抗風圈可采用型鋼或型鋼與鋼板的組合件制成，鋼板的tmin＝5mm，角鋼的最小尺寸為63×6。⑵抗風圈兼作走臺時，其最小寬度b為600mm（圖6-2），并應在外側設置欄桿；抗風圈上表面不應有影響行走的障礙?！?-2抗風圈的設計和計算走臺bbmin構件a應延伸到bminbmin扁鋼或角鋼加強件圖6-2抗風圈結構⑶腹板洞口結構：①BB、CC、DD截面均須滿足Wmin≥Wz；②任一加強件的截面積均≮32t2；③bmin≥b；④扁鋼（垂放）兩端與罐壁間應采用雙面滿角焊，并與罐壁加強件焊接成整體。支承架bb1罐壁A-A盤梯洞口⑷當抗風圈有可能積存液體時，應開設適當數(shù)量的排液孔，即“淚孔”。⑸抗風圈本身的對接接頭應全焊透、全熔合（必要時應加墊板）；抗風圈與罐壁的連接在上側應采用連續(xù)滿角焊，下側可采用間斷焊?！?-2抗風圈的設計和計算支托最大間距Lmax＝18b1我國24b1英、日、法●抗風圈下支托的最大間距Lmax

抗風圈與罐壁共同作用范圍（兩側各16t截面）組成一個近似I字形斷面的薄腹梁，在受載狀態(tài)下除了應滿足強度條件外，尚需滿足在受彎時不發(fā)生側向失穩(wěn)。因此，一般需在抗風圈下設置支托，且支托上緣應與抗風圈焊牢。支承架bb1罐壁A-A邊梁高度§6-2抗風圈的設計和計算●包邊角鋼（對于敞口油罐）H1＜600mm，可不設H1＞600mm，需設支承架b1罐壁A-AH1§6-2抗風圈的設計和計算●設計實例§6-2抗風圈的設計和計算●設計實例§6-2抗風圈的設計和計算§6-3加強圈的設計和計算§6-3加強圈的設計和計算(當量高度)§6-3加強圈的設計和計算兩種失穩(wěn)判據(jù)北京煉油設計院推薦法英法標準普遍使用的方法當量筒體上允許不加強的臨界高度筒體的當量高度管壁許用臨界壓力設計壓力（1）計算當量高度HE1、英、法油罐規(guī)范介紹的方法§6-3加強圈的設計和計算（2）計算HP1、英、法油罐規(guī)范介紹的方法當量筒體上允許不加強的臨界高度設計風速設計真空度，mbar(氣壓單位，百帕)；對于敞口油罐和常壓固定頂油罐，取Va

＝5mbar；其它固定頂油罐，取Va

＝8.5mbar?！?-3加強圈的設計和計算（3）

確定加強圈個數(shù)及當量筒體上的位置HE和HP加強圈數(shù)當量筒體上的位置HE＜HPHP＜HE＜2HP2HP＜HE＜3HP3HP＜HE＜4HP0123—HE/2HE/3，2/3HEHE/4，

HE/2，3/4

HE§6-3加強圈的設計和計算1、英、法油罐規(guī)范介紹的方法a)當加強圈在tmin壁板上時，當量筒體就是實際筒節(jié)，它到抗風圈或包邊角鋼的距離不必換算；（4）

確定罐壁上加強圈的實際位置§6-3加強圈的設計和計算b)

當加強圈不在tmin壁板上時，它到抗風圈或包邊角鋼的距離（實際距離）應進行換算：到抗風圈的距離當量罐體上到抗風圈的距離所在圈上側環(huán)焊縫距抗風圈的距離c)加強圈離罐壁環(huán)焊縫的距離不應小于150mm，否則應進行適當調(diào)整。（5）確定加強圈的最小截面尺寸§6-3加強圈的設計和計算油罐直徑D，m角鋼圈（或同樣截面系數(shù)的其它型鋼），mmD≤2020＜D≤3636＜D≤48D＞48100×60×8125×75×8150×100×10200×100×12英國規(guī)范油罐直徑D，m角鋼圈（或同樣截面系數(shù)的其它型鋼），mmD≤2020＜D≤3636＜D≤4848＜D≤80D＞80100×80×9120×80×10150×90×11200×100×12180×180×18法國規(guī)范§6-3加強圈的設計和計算●實例§6-3加強圈的設計和計算§6-3加強圈的設計和計算§6-3加強圈的設計和計算2、北京煉油設計院推薦法(3)計算罐壁Pcr(2)計算HE(1)計算設計外壓PP＜[Pcr](4)計算加強圈個數(shù)及位置P和[Pcr]加強圈數(shù)當量筒體上的位置P＜[Pcr][Pcr]≤P＜2[Pcr]2

[Pcr]≤P

＜3[Pcr]3

[Pcr]≤P

＜4[Pcr]0123—HE/2HE/3，2/3HEHE/4，

HE/2，3/4

HE§6-3加強圈的設計和計算§6-3加強圈的設計和計算到抗風圈的距離當量罐體上到抗風圈的距離所在圈上側環(huán)焊縫距抗風圈的距離（5）確定罐壁上加強圈的實際位置（6）確定加強圈的最小截面尺寸●實例§6-3加強圈的設計和計算一臺浮頂油罐內(nèi)徑60m，高18m，罐壁由9層2m寬的圈板組成，抗風圈設在離上口1m處，壁板自上而下的厚度分別為10，10，10，12，14，16，18，20，23mm。建罐地區(qū)基本風壓W0＝70kgf/m2，試用北京煉油設計院推薦的方法計算加強圈的個數(shù)，位置及尺寸。

1、計算當量高度HE§6-3加強圈的設計和計算層次h，mt，mmhE，m1234567891222222221010101214161820231221.2680.8620.6180.4600.3540.249§6-3加強圈的設計和計算2、求設計壓力P其中，K1＝1.5，K2＝2.25，Kz查P121表6-1，并用線性插入法得：§6-3加強圈的設計和計算3、計算罐壁[Pcr]§6-3加強圈的設計和計算4、確定加強圈個數(shù)及位置∴需設2個加強圈第一個加強圈：在當量筒體上離抗風圈HE/3處；HE/3＝8.811/3＝2.937m，位于tmin處，無需折算?！?-3加強圈的設計和計算2

[Pcr]=3

[Pcr]=4、確定加強圈個數(shù)及位置（續(xù)）第二個加強圈：在當量筒體上離抗風圈2/3HE處；2/3HE＝8.811×2/3＝5.874m，因不在tmin上，需折算，其距抗風圈的實際距離為：§6-3加強圈的設計和計算4、確定加強圈個數(shù)及位置（續(xù)）規(guī)范要求加強圈與環(huán)焊縫之間的距離應大于150mm，而第一個加強圈與焊縫之間的距離為：（3-2.937