油罐的抗風設計和計算

馮先超

（河南工業大學　土木建筑學院，河南　鄭州　450001）

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油罐的抗風設計和計算

馮先超

（河南工業大學土木建筑學院，河南鄭州450001）

摘要：隨著油罐的大型化和采用高強度鋼材，罐壁與罐徑之比相對減小。特別是從油罐的結構來看，外浮頂油罐的上部是敞口的，不再另設頂蓋。因此，油罐罐壁的抗風穩定性越來越差。為了增加罐壁的剛度，除在壁板上緣設包邊角鋼外，在距壁板上緣1cm處還要設抗風圈。而油罐的抗風圈設計和計算，對其在風力作用下的穩定具有重要的作用。

關鍵詞：抗風設計；抗風圈；加強圈

1　抗風圈的設計和計算

抗風圈是由鋼板和型鋼拼裝的組合斷面結構，其外形可以是圓的，也可以是多邊形的。抗風圈以上的罐壁承受張力，避免了油罐失穩的危險。

抗風圈所需最小截面系數Wz可按下式計算：

式中，D為油罐內徑，m；H為罐壁全高，m；Wz為抗風圈所需最小截面系數，m3。

上式是基于標準風壓W0=700Pa進行推導的，當實際的標準風壓W0＞700Pa時，上式所得數值還應乘以W0/700。

抗風圈與罐壁連接處上下各16倍壁板厚度范圍內可以認為能與抗風圈同時工作，因而在計算抗風圈的實際截面模數時應計入此部分的面積。

英國及法國油罐標準與我國通常采用的Wz=0.082D2H計算式相同。英國油罐標準BS2654還規定當油罐直徑D＞60m時，仍按60m計算抗風圈的最小截面系數Wz，設計大型油罐時此規定可作參考。

美國油罐規范API650—1980對抗風圈所需的最小截面系數Wz規定為：

式中，Wz為截面系數，in3；D為罐的公稱直徑，ft；H為罐壁高度，ft。

式（2）系根據風速v=100mile/h（1mile=1.6km）推導出的，如采取其他風速為依據時，則上式應乘以（v/100）2。當油罐直徑大于200ft時，按式（2）求出的抗風圈截面系數Wz可以減小，但不得小于按直徑為200ft求出的截面系數Wz值。

在抗風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。抗風圈上如有可能積存雨水時，則應開設適當數量的排液孔。抗風圈或其一部分通常可作為走廊用，此時最小寬度為600mm，并在外側設置欄桿，且抗風圈裝在距頂部包邊角鋼1 000mm處。

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

圖1 抗風圈的扶梯穿過孔

抗風圈本身的對接焊縫應全部焊透，必要時在焊縫的下面可加設墊板。抗風圈與罐壁間在上部應采取連續滿角焊，以避免雨水由罐壁與抗風圈的間隙處流至保溫層內，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圈，當型鋼的水平肢式腹板的寬度超過其自身厚度的16倍時，均應在抗風圈下面設支承構件。支承構件的間距不應超過型鋼垂直肢或抗風圈邊緣構件豎向尺寸的24倍，且必須與抗風圈和罐壁焊接牢固，其焊接強度應能承受抗風圈自重等垂直荷載。

對于敞口油罐，當抗風圈設置在由罐壁頂部以下600mm范圍內時，可不設置包邊角鋼；如設置在600mm以下時則必需設置包邊角鋼。這一包邊角鋼尺寸可參考國外有關規范選擇。譬如，日本JISB8501—1979規定，當最上層壁板厚度為4.5mm時，角鋼尺寸取65mm×65mm× 6mm；若大于4.5mm時，取75mm×75mm×6mm。英國BS2654—1973規定，當最上層壁板厚度為5mm時，角鋼尺寸取60mm×60mm×5mm；若大于或等于6mm時，取75mm×75mm×6mm。美國API650—1977規定，當抗風圈安裝位置在距罐壁上沿2ft以下時，上層壁板厚度為3/ 16in，應裝2.5×2.5×3/16in的角鋼；厚度為3/16in以上時，應裝3×3×1/4in的角鋼。但API650—1980中取消了這一規定。

2　加強圈的設計

設置了抗風圈之后。罐體的上部保持了圓度，但抗風圈下面的筒體仍有可能局部被吹癟，為解決這個問題，還需在下部適當的位置設置加強圈。

加強圈的設計與計算存在的第一個問題是罐外壁風壓分布很不均勻。如前所述，這可簡化為均勻外壓問題來處理，這樣處理的結果偏于安全。

加強圈的設計與計算存在的第二個問題是油罐為階梯形變截面圓筒，筒體母線無法用一個單一的方程式來表達，這給計算帶來了困難。為解決此問題，英國首先提出了“當量高度”的概念。因為外壓圓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的各筒節折算成直徑相同、穩定性相同但壁厚為油罐罐壁最小厚度δmin的筒節。經過折算后的筒節高度稱為當量高度。這樣就可以把一個階梯形的變截面的罐折合成一個想象中的等壁厚罐。這個壁厚為δmin的等壁厚罐抵抗失穩的能力與真實的罐相同。換句話說，這個想象中的罐不失穩，真實的罐也不會失穩；想象中的罐需要增設幾個加強圈，真實的罐也需要增設幾個加強圈。這個方法已為多國規范所采用。

對于SH3046—1992加強圈設計方法。

該方法以薄壁短圓筒在外壓作用下的臨界壓力計算公式為基礎，參考BS2654關于當量長度的概念得出的，其方法簡單，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為油罐內徑，m；HE為當量高度，m；Hei為第i圈罐壁板的當量高度，m；對于浮頂罐，頂圈罐壁只計入抗風圈以下的部分；hi為第i圈罐壁板的實際高度，m；對于浮頂罐，只計入抗風圈以下的部分；δi為第i圈罐壁板的規格高度。

參考文獻：

［1］徐至鈞，許朝銓，沈珠江.大型儲罐基礎設計與地基處理［M］.北京：中國石化出版社，1999.

作者介紹：馮先超（1991-），男，在讀碩士，研究方向：防災減災工程與防護工程、結構工程和油田構筑物等。

中圖分類號：TE972

文獻標識碼：A

文章編號：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