储罐设计漫谈-05风载荷计算

储罐风速与风压

风速和风压可按照伯努利方程可以相互转换：

w0=V^2/16.

而油罐的实际所受风压要比基本风压w0大，标准风压wk需要再基本风压基础上考虑风振系数1，驻点1，高度变化系数。根据研究，在罐的外表的迎风面上只有大约60°的范围是受压的，而其他范围是吸力。受压的60°范围内，有20°范围的弧长受压近似为常数，值近似为wk，而整个60°范围内的风压图形近似为正弦曲线，正对着风的那点为驻点，值为wk.

但是计算储罐的风压不能直接使用wk，因为wk是以基本风压为基础的，我国基本风压是采用每10分钟的最大平均风压值，世界上采用时间间隔有60分钟，20分钟，10,5,1分钟等。当间隔越短，其最大平均风压值就越高。储罐在使用时，有可能在某一瞬间当风压达到临界值时就被吹瘪，所以在储罐设计中不是以10分钟最大平均风速，而是以3秒钟（同API650）瞬时最大平均风速。其折算系数=1.5^2=2.25.

计算储罐的实际风压值

对于与大气联通的内浮顶油罐：P0=2.25wk

其敞口浮顶油罐，驻点的实际外压为wk，加上内壁的吸力为0.5wk，两者之和为1.5wk，所以P0=2.25*1.5*wk

对于固定顶油罐，由于风的抽力在储罐内壁引起的负压为0，但是需要考虑呼吸阀引起的负压q，所以固定顶的实际风压值：P0=2.25wk+q

罐顶抗风圈的计算

储罐需要计算顶部抗风圈的最小截面模数，对模型进行了很多假设。

1.作用于罐壁迎风面的风压按照正弦曲线分布Wk*sin(πa/θ)

2.风压分布范围内的抗风圈为两端铰支的圆拱，范围为60°。

3.罐全高1/2的迎风面风压均由该圆拱承担。

风力作用下圆拱的最大弯矩为Mmax=P1*R*R/[(π/θ)^2-1],其推导见《浮顶油罐的强度和稳定性》，中国科学院北京力学研究所。

抗风圈所需的最小抗弯模量为W=Mmax/[σ], 将P1和0.32W0*H的关系，θ=60°, [σ]取A3钢=211MPa，并取一定安全系数代入,可以得到GB50341式6.4.6

Wz=0.083D^2*H1*wk.

API650的顶部抗风圈公式为

Z=D^2H2/17*(V/190)^2

其公式来源和GB非常类似，只是一个用基本风压一个用基本风速，API650将风速190km/h当做基本风速，如果风速不等于190，可以进行修正。

API650不仅要求顶部抗风圈，也要求中间抗风圈达到最小截面模数的要求。

GB50341根据中国科学院力学研究所的研究结果，罐壁加强圈的惯性矩可按下式计算：

I=100t^3*Sqrt(Rt)

GB50341表6.5.6采用的加强圈最小尺寸，即是按照上式确定的。下表可以看到，除了20m以下，单单是角钢的惯性矩（不含筒体组合部分）已经比所需要的要大。

由上可知：

1.GB通过设置默认的加强圈最小尺寸保证最小截面要求。

2. 采用更大的角钢对于提高临界压力作用不大。