第4章固定顶设计

1、教学内容教学内容第四章第四章 立式圆柱形油罐罐顶（固定顶）设立式圆柱形油罐罐顶（固定顶）设计计 n拱顶结构及几何尺寸的计算；拱顶结构及几何尺寸的计算；n拱顶载荷的计算；拱顶载荷的计算；n包边角钢所需面积；包边角钢所需面积；n拱顶球壳的稳定性校核。拱顶球壳的稳定性校核。教学目标教学目标1、了解拱顶的结构及特点；、了解拱顶的结构及特点；2、掌握拱顶的设计压力及包边角钢的、掌握拱顶的设计压力及包边角钢的计算；计算；3、掌握拱顶结构设计及拱顶球壳的稳、掌握拱顶结构设计及拱顶球壳的稳定校核。定校核。 拱顶组成拱顶组成 中心盖板和瓜皮（扇形）板组成，形状近似球面。中心盖板和瓜皮（扇形）板组成，形状近似球面

2、。拱顶的结构拱顶的结构 拱顶各部分的连接拱顶各部分的连接 瓜皮板块数一般取为偶数，对称安排。板与板之瓜皮板块数一般取为偶数，对称安排。板与板之间可对接或互相搭接，实际搭接宽度间可对接或互相搭接，实际搭接宽度 5倍板厚且倍板厚且 25mm，一般搭接宽度多采用，一般搭接宽度多采用40mm。搭接的瓜皮。搭接的瓜皮板在外侧采用连续焊，内侧用间断焊。板在外侧采用连续焊，内侧用间断焊。 中心盖板搭在瓜皮板上，搭接宽度一般取中心盖板搭在瓜皮板上，搭接宽度一般取50mm。 确定原则确定原则 拱顶的结构尺寸拱顶的结构尺寸当当tstr时，在气体内压作用下，应使时，在气体内压作用下，应使，否则罐顶与罐壁将在连接处发

3、生相对位移。，否则罐顶与罐壁将在连接处发生相对位移。rs 球顶曲率半径球顶曲率半径RDR2 .18 .0（4-6）一般取球顶曲率半径与罐径之差一般取球顶曲率半径与罐径之差 20，即：，即：rrsstpRtpD22 当当tstr时，在气体内压时，在气体内压p作用下，罐壁顶部与罐顶作用下，罐壁顶部与罐顶的环向应力分别为的环向应力分别为 和和 。 要使要使 ，必使，必使 。DR rs 球顶几何尺寸球顶几何尺寸拱顶的结构尺寸拱顶的结构尺寸DRh 过渡部分曲率半径过渡部分曲率半径 当当时，则拱顶高时，则拱顶高h、气、气体空间体空间、用料量、用料量；反之，；反之，过渡处局部弯曲应力过渡处局部弯曲应力。一般

4、取一般取 0.1D，此时，此时h0.2D。 瓜皮板几何尺寸瓜皮板几何尺寸 参见参见大型贮罐设计大型贮罐设计上海科上海科学技术出版社，学技术出版社，1986,8 以圆弧过渡与罐壁相连以圆弧过渡与罐壁相连 此形式连接处无横推力，受力情况较好，边缘应力此形式连接处无横推力，受力情况较好，边缘应力小，承压能力较高，但需冲压加工，施工较难。小，承压能力较高，但需冲压加工，施工较难。拱顶与罐壁的连接形式拱顶与罐壁的连接形式 以包边角钢将罐顶与罐壁相连以包边角钢将罐顶与罐壁相连 罐顶传来的横推力由角钢承担，安装制造方便，广罐顶传来的横推力由角钢承担，安装制造方便，广泛用于承压较低的液体贮罐。泛用于承压较低的

5、液体贮罐。 SYJ1016-82第第3.4.5条规定：条规定：“罐顶与包边角钢间的罐顶与包边角钢间的连接，应采用弱顶结构连接，应采用弱顶结构。外侧用连续焊，焊脚高度。外侧用连续焊，焊脚高度 顶板厚度的顶板厚度的3/4，且不得，且不得4mm，内侧不予焊接，内侧不予焊接”。拱顶与罐壁的连接形式拱顶与罐壁的连接形式 注意：注意： “罐顶与包边角钢间采用弱顶结构罐顶与包边角钢间采用弱顶结构”的目的目的：在储罐运行中，万一操作失误，使罐内压力过的：在储罐运行中，万一操作失误，使罐内压力过大，罐体开始破裂时，首先把罐顶板掀开而迅速泄大，罐体开始破裂时，首先把罐顶板掀开而迅速泄压，从而避免因罐壁破裂带来更大

6、的损失。压，从而避免因罐壁破裂带来更大的损失。拱顶与罐壁的连接形式拱顶与罐壁的连接形式（a）（b）球壳球壳球壳球壳罐壁罐壁罐壁罐壁包边角钢包边角钢包边角钢包边角钢筋板筋板 拱顶部分存在油气空间；拱顶部分存在油气空间； 能承受较高的内压，一般为能承受较高的内压，一般为0.02kgf/cm2，最大可达到最大可达到0.1kgf/cm2（当阀阻塞时）（当阀阻塞时）; 刚性好，施工方便，高空作业少，施工周刚性好，施工方便，高空作业少，施工周期短，施工费用低。期短，施工费用低。拱顶的特点拱顶的特点式中式中 qE作用在球壳上的外载荷，作用在球壳上的外载荷， kgf/m2； q1球壳自重（按投影面积），球壳自

7、重（按投影面积）， kgf/m2 ； q2罐内设计负压，即操作条件下，罐内可罐内设计负压，即操作条件下，罐内可能产生的最大真空度；它是因抽空或气体空间中能产生的最大真空度；它是因抽空或气体空间中气体因温降收缩而形成的，气体因温降收缩而形成的，一般取一般取1.2倍的吸气阀倍的吸气阀开启压力或开启压力或50mmH2O，即，即50 kgf/m2；拱顶的设计压力拱顶的设计压力单位面积的垂直载荷单位面积的垂直载荷 设计外压设计外压qE4321qqqqqE（4-7） q3雪载，可按最新版的雪载，可按最新版的建筑结构载荷建筑结构载荷规范规范（GB50009-2001）中有关章节选取，）中有关章节选取，也可根

8、据建罐地区实际气象统计数据选取，也可根据建罐地区实际气象统计数据选取，通常取通常取30 kgf/m2； q4活载荷（主要考虑贮罐顶部检修人员活载荷（主要考虑贮罐顶部检修人员及工具的重量等外载荷），通常取及工具的重量等外载荷），通常取40 kgf/m2。拱顶的设计压力拱顶的设计压力单位面积的垂直载荷单位面积的垂直载荷 设计内压设计内压qi式中式中 qi作用在球壳上的内载荷，作用在球壳上的内载荷， kgf/m2； q5罐内最大正压力，可取呼气阀的开罐内最大正压力，可取呼气阀的开启应力，启应力，通常取通常取200mmH2O，即，即200 kgf/m2； K超载系数，取超载系数，取K1.2。拱顶的设计

9、压力拱顶的设计压力单位面积的垂直载荷单位面积的垂直载荷15qKqqi（4-8） 注意事项注意事项 q2+q3+q4的取值最小不应的取值最小不应120 kgf/m2； qE估计不足时，会使球壳受压失稳，也会使包边估计不足时，会使球壳受压失稳，也会使包边角钢拉坏；角钢拉坏； qE估计过高时，会造成材料上的浪费；估计过高时，会造成材料上的浪费； qi是由罐内的气体压力产生的，它会使球壳产生是由罐内的气体压力产生的，它会使球壳产生薄膜应力，并使包边角钢成为受压环。薄膜应力，并使包边角钢成为受压环。拱顶的设计压力拱顶的设计压力单位面积的垂直载荷单位面积的垂直载荷 作用作用 加固罐体上部边缘，对固定顶罐还

10、传递罐顶载荷。加固罐体上部边缘，对固定顶罐还传递罐顶载荷。包边角钢包边角钢 包边角钢的规格包边角钢的规格 浮顶罐浮顶罐内径（内径（m）包边角钢包边角钢最小尺寸（最小尺寸（mm）D20636D20758 内浮顶罐内浮顶罐 和拱顶罐和拱顶罐内径内径（m）包边角钢包边角钢最小尺寸（最小尺寸（mm）D2063620D3675836D48908D4810010包边角钢包边角钢 连接方式连接方式 自身连接：自身连接：对接或冲压成型。若对接则必须对接或冲压成型。若对接则必须全焊透、全熔合。全焊透、全熔合。 与固定顶的连接：与固定顶的连接：搭接，采用弱顶结构。搭接，采用弱顶结构。 与罐壁的连接：与罐壁的连接：

11、对接或搭接，但角钢的水平对接或搭接，但角钢的水平肢，对于浮顶罐，必须朝外；对于固定顶或肢，对于浮顶罐，必须朝外；对于固定顶或内浮顶罐，可朝外或朝内。内浮顶罐，可朝外或朝内。包边角钢包边角钢 边缘力系边缘力系Mf、Qf很小，可忽略；很小，可忽略；sr上节点上节点拱顶罐上节点的内力计算拱顶罐上节点的内力计算sstpD4sstpD2罐壁上部罐壁上部 薄膜应力：薄膜应力：rrrtpR2罐顶罐顶拱顶罐上节点的内力计算拱顶罐上节点的内力计算 包边角钢横截面所受的力包边角钢横截面所受的力FFFT2 a、受力分析、受力分析 当当qEqi时的受力状况时的受力状况T2T1Q拱顶罐上节点的内力计算拱顶罐上节点的内力

12、计算b、外力、外力 罐顶总垂直载荷罐顶总垂直载荷T2T1QqDQ24iEqqq,max（4-9）sin4sin1qDDQT 罐顶沿周边罐顶沿周边单位长度单位长度上的经向力上的经向力（4-11）tgqDTT4cos12T1水平分力或横推力水平分力或横推力（4-12）FFT2拱顶罐上节点的内力计算拱顶罐上节点的内力计算 式中式中 T2的方向由的方向由 确定，确定，当当qEqi即拱顶受外压时，包边即拱顶受外压时，包边角钢受拉，角钢受拉，T2背向圆心；反之，背向圆心；反之，包边角钢受压，包边角钢受压， T2指向圆心指向圆心 。iEqqq,maxc、包边角钢横截面受力、包边角钢横截面受力tgqDTDF8

13、222（4-13）加强区：加强区：包边角钢以及包边角钢以及包边角钢在罐顶及罐壁包边角钢在罐顶及罐壁两侧的各两侧的各16倍壁厚范围倍壁厚范围内的材料共同承受水平内的材料共同承受水平力，此区域称为加强区，力，此区域称为加强区，如右图所示。如右图所示。包边角钢所需面积包边角钢所需面积球壳球壳罐壁罐壁包边角钢包边角钢16ts16tr式中式中许用应力，许用应力，kgf/cm2，取，取 ，其中，其中s为材料的屈服极限，为材料的屈服极限，kgf/cm2，通常包边角钢采，通常包边角钢采用用A3F， s2400 kgf/cm2；焊缝系数，可取焊缝系数，可取0.85。 s32包边角钢所需面积包边角钢所需面积 加强

14、区最小面积加强区最小面积 FAmin（4-14）包边角钢所需面积包边角钢所需面积式中式中A包边角钢的截面积，包边角钢的截面积，cm2；ts与包边角钢相连的壁板厚度，与包边角钢相连的壁板厚度，cm；tr罐顶板厚度，罐顶板厚度，cm。 注：日、美、英规范给出了不同的注：日、美、英规范给出了不同的Amin计计算式（算式（4-164-18）。）。包边角钢所需面积包边角钢所需面积22min16rsttAA（4-15） 强度校核：强度校核：由由qi计算薄膜应力，用第一强度计算薄膜应力，用第一强度理论校核。理论校核。 稳定性校核：稳定性校核：在在qE作用下的情况。当稳定性作用下的情况。当稳定性不够时，则采用

15、加强筋。不够时，则采用加强筋。球壳设计球壳设计 球壳设计的主要内容球壳设计的主要内容 球壳类型球壳类型 光面：光面：V1000m3； 加筋：加筋：V1000m3，在满足拱顶稳定性的情况，在满足拱顶稳定性的情况下，使拱顶重量最轻。下，使拱顶重量最轻。 球壳板厚球壳板厚 球壳板厚均有一定的限制，超过该限制是不合球壳板厚均有一定的限制，超过该限制是不合理的，对此各个国家均有自己的规定，日、美、理的，对此各个国家均有自己的规定，日、美、英及我国的规定见英及我国的规定见P89）。）。球壳设计球壳设计 必要性：必要性：球形拱顶是由薄钢板组成的壳体，球形拱顶是由薄钢板组成的壳体，在外力作用下可能发生屈曲变形

16、。例如：当在外力作用下可能发生屈曲变形。例如：当呼吸阀失灵，或试水（放水）时吸气阀未打呼吸阀失灵，或试水（放水）时吸气阀未打开，或放液速度过快时，会造成罐内真空度开，或放液速度过快时，会造成罐内真空度过大而使罐顶局部失稳。为此，应进行设计过大而使罐顶局部失稳。为此，应进行设计外压下的稳定性校核。外压下的稳定性校核。拱顶球壳的稳定性校核拱顶球壳的稳定性校核 光面球壳稳定性校核光面球壳稳定性校核 计算球壳临界载荷计算球壳临界载荷式中式中 Pcr临界载荷，临界载荷，kgf/cm2； t与与R板厚与球壳曲率半径，板厚与球壳曲率半径，cm； E弹性模量，弹性模量，kgf/cm2。拱顶球壳的稳定性校核拱顶球壳的稳定性校核 古典球壳临界载荷公式古典球壳临界载荷公式222221.1132RtEREtPcr（4-2021）一般取一般取0.30.3 krenzke的修正公式的修正公式2228386. 0180. 0RtRtEPcr（4-2223）拱顶球壳的稳定性校核