風壓設計論文：儲罐的風壓設計與估算范文

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作者：李玉坤孫文紅梁軍會單位：中國石油大學（華東）工程力學系中油管道投產運行公司

需要說明的是：BS_EN14015規定，當儲罐的直徑D＞60m時，仍按60m計算抗風圈的最小截面模量；API650規定，對于直徑超過60m的儲罐，經買方和制造廠同意，可以適當減小截面模量，但不得小于直徑為60m儲罐所要求的值。

加強圈的設計計算

對于加強圈的設計，各設計標準均有詳細規定。關于加強圈的截面模量，GB50341、SH3046和BS_EN14015相同，均基于剛性理論；API650和JIS_B8501相近，基于強度理論（與抗風圈截面模量計算相同）。對于加強圈數量的確定，各標準均基于薄壁短圓筒的臨界壓力計算公式，只在如何將階梯形壁厚轉化成一個適當的厚度進行運算的方法上有所差異。實際計算時，GB50341、SH3046和BS_EN14015均運用“當量筒體”進行計算，最后換算為實際高度；API650和JIS_B8501均需試算，最后也是換算為實際高度。在JIS_B8501和API650中，分別給出了加強圈最小截面模量的計算公式：式中：H1為加強圈與罐壁包邊角鋼或敞口儲罐頂部抗風圈間的垂直距離，m；t1為頂層壁板的厚度，mm。兩公式基本相同，只是后者設計風速取160km/h。

在GB50341、SH3046和BS_EN14015中，對加強圈的最小截面尺寸均有規定，但對尺寸大小的規定不完全相同（表1）。中國科學院力學研究所關于“彈性支承圓柱殼體的側壓屈曲”的研究結果表明：當加強圈的慣性矩接近100（D為儲罐內徑，m；t為罐壁厚度，mm）時，加強圈已趨近于剛性支承，若再加大其慣性矩，對提高罐壁的臨界壓力作用不大。

浮頂儲罐抗風圈截面模量公式推導基本假設

：①假定作用于儲罐外壁迎風面的風壓按正弦曲線分布，風壓分布范圍所對應的抗風圈區段為兩端鉸支的圓拱（圖1），其對應的圓心角θ為60°；②儲罐上半部罐壁承受的風載荷由抗風圈承擔。為滿足強度要求，抗風圈所需的最小截面模量Wzk按下式計算：考慮到載荷性質屬于非經常性的最不利情況，而且應力是彎曲應力，故取[σ]=0.9σs，對于Q235鋼材而言，[σ]≈21000N/cm2；Mmax為圓拱的跨中彎矩，N•cm，Mmax=p0R2/；θ為圓拱對應的圓心角，θ＝60°；p0為罐壁駐點線上單位弧長的風載荷，N/cm，由風洞試驗得p0=0.32p1H；p1為設計風壓，N/cm2，p1=μsμhW0，其中μs=1.5，μh=1.5（取距離地面15m高處的值），基本風壓值W0取0.7kPa。將以上數據代入式（10），即得抗風圈所需的最小截面模量的計算公式：若建罐地區的基本風壓大于0.7kPa（少數沿海地區），應將上述結果再乘以W0/0.7，即：按照該方法推導出的抗風圈所需最小截面模量公式（12）與式（2）一致，但在式（1）中W0為Wk。由式（1）、式（3）可以分別求出按照GB50341和API650設計標準下抗風圈所需的最小截面模量，根據截面模量總和應小于所需最小截面模量的原則，計算結果分別為：GB50341需要3個抗風圈和2個加強圈，API650需要2個抗風圈和4個加強圈。

有限元數值計算

1有限元模型

利用大型有限元軟件ANSYS建立了20×104m3儲罐的三維模型（圖2），罐壁和罐底全部采用shell63單元，且罐壁單元均為4節點矩形單元；抗風圈和加強圈簡化成梁，采用beam188單元進行有限元計算。儲罐共劃分7400個單元。分別在儲罐的內外壁施加風壓載荷：①外壁的風壓分布。對于外浮頂罐，在實驗風壓為W0時，外壁風壓分布是不均勻的（圖3）。只有迎風面60°中心角對應的罐壁是受壓區，其余罐壁承受的是張力。最大風壓是在20°所對弧長上，風壓近似為常數，最大風壓發生在駐點A，其值等于風壓值W0。②內壁的風壓分布。由于風吹過時，引起外浮頂儲罐迎風面內壁產生抽力，故迎風面罐內壁是負壓，風洞試驗表明最大負壓為0.5W0，位于駐點內側，其余部分的負壓值與駐點處相近。罐壁各個部分所受的風荷載，可根據式（6）計算得出。與風壓相比，油壓計算較為簡單，采用保守算法，用水壓來代替油壓，直接運用函數Ws=γH（γ為水的密度）將各處的油壓加載到儲罐罐壁和罐底。

2有限元數值分析

罐體承受載荷主要分為油壓、風壓和自重3部分，在不同工況下，進行儲罐的強度和穩定性計算分析。

2.1強度計算

（1）20×104m3儲罐空罐時受風壓作用下的應力計算模型：根據儲罐在風壓作用下的第三強度理論應力云圖（圖4a），最大應力值為24.5MPa，遠小于材料的許用應力值，因此儲罐只在風壓作用下滿足強度要求，不會發生強度破壞；根據儲罐和加強圈、抗風圈的位移云圖及罐口處變形情況（圖4b、圖4c），駐點處有最大位移，其值為9.042mm，相對于儲罐的直徑110m而言，變形很小；根據駐點處以及與風向成90°方向罐壁沿高度方向的位移曲線（圖5a、圖5b，Ux、Uy為罐壁在x、y方向的徑向位移），有抗風圈和加強圈部位的罐壁的徑向位移均明顯減小。

（2）20×104m3儲罐同時受風壓和油壓作用下的應力計算模型：根據罐壁、抗風圈以及加強圈的應力與變形的情況（圖6），最大應力為311MPa，作用位置在－90°方向大角縫處，此處罐壁材料為SPV490Q，許用應力為261MPa（依據API650、SH3046），最大應力為峰值應力，小于許用應力的3倍，因此儲罐同時承受油壓和風壓情況下，罐壁也是滿足強度要求的；根據駐點處以及與風向成90°方向的罐壁沿罐壁高度方向的位移曲線（圖7），罐壁的最大位移為85.245mm，變形比空罐情況下更小。

2.2穩定性分析

罐壁的外壓失穩在一定范圍內是完全彈性的。當外壓保持在略低于臨界壓力時，模型不會出現屈曲，一旦增壓至臨界壓力，立即發生凹癟，若將外壓減小到臨界壓力以下，殼面上的屈曲波形會立即恢復原形而不留痕跡。但是若罐壁制造時存在橢圓度或局部凹癟，則這些部位在風壓下會提前失穩并難以復原。根據API650和GB50341的抗風設計穩定性分析結果（圖8），在空罐時的極限風壓值為980Pa，超出設計風壓值25.45％；按照GB50341設計的3個抗風圈、2個加強圈的儲罐（圖2）所能承受的極限風壓值為913.737Pa，超出抗風圈、加強圈的設計風壓值17％。通過對比可知，兩種設計結構均能滿足罐壁的穩定性要求，但API650比GB50341設計的抗風圈、加強圈穩定性更好，且前者更節省材料。

結論與建議

國內外大型儲罐設計標準中關于抗風圈和加強圈最小截面模量的計算公式及具體要求對比結果表明：我國現行規范較其他國家的規范保守，設計的截面尺寸偏大；通過推導抗風圈最小截面模量計算公式，建議將GB50341中抗風圈最小截面模量計算公式（1）中的Wk改為W0。通過對某大型儲罐的有限元數值計算分析，API650和GB50341設計的抗風圈、加強圈強度和穩定性均滿足設計要求；但按照API650進行的設計不僅穩定性更好，且節省材料，因此，建議采用API650作為大型儲罐抗風設計的標準。

根據相關調研和研究結果，目前儲罐抗風設計多依據經驗，實驗和理論研究支撐不足，又由于儲罐的設計風壓是按30年一遇的極限情況取值，很難驗證目前儲罐抗風圈、加強圈設計的合理性。因此，以上結論亟需現場試驗數據的進一步佐證。