近年来，随着钢铁、城市煤气、石油化工等行业的快速发展，对煤气存储设备的需求越来越大。在钢铁企业中，由于煤气产量和消耗量之间的不平衡，煤气管网压力经常波动。储气设备建成之前，当管网压力过大时，只能将煤气释放到空气中，这样不仅造成了能源的浪费，同时破坏了大气环境；当管网压力不足时，又不能及时补充煤气，引起煤气供应脱节。因此，储气柜作为一种有效的煤气回收利用的装置便应运而生，对稳定煤气管网压力起着重要作用，在国内外得到了广泛的应用。
目前，应用较多的储气柜类型中，按对气体密封方式的不同可分为湿式储气柜和干式储气柜。湿式储气柜用水做密封介质，
干式气柜主要又分为用稀油密封的曼型干式气柜和用橡胶柔膜密封的威
金斯干式气柜。图 1-1 是已建成的三种气柜的工程实例。
2、不同类型的储气柜的主要特点
湿式气柜主要由水槽、浮塔组成，其钢材用量相对较少，但使用时维护工作较重，除须注意水槽水位状况外，还须观察密封水槽的情况，操作不当易发生脱轨、冒顶等问题。湿式气柜在国内应用比较早，施工技术相对成熟，初始投资较少。但是湿式气柜只能储存低压煤气，由于存储的气体有一部分具有水溶性，使用时间长了之后，水槽内水质变差，这不仅影响环境，对柜体的腐蚀也很严重。因此，湿式气柜在运营维护期间，需要定期更换水槽内的水，并且加强柜体的防腐性能。
（1）干式气柜存储的气体压力大并且压力稳定，通常可以达到 6~10kPa，而湿式气柜一般都低于 4 kPa。
（2）干式气柜适用范围广泛、维护简单、操作方便，不会产生污水污染环境，降低了运营需要的人力和物力。
（3）干式气柜的使用寿命长，曼型气柜的使用寿命通常为 30 年，威金斯气柜可达到 50 年，而湿式气柜由于腐蚀严重，寿命一般为 15 年。虽然干式气柜初始投入资金较湿式气柜高，但是由于维护费用低，使用寿命长，反而更加经济。威金斯干式气柜采用柔膜密封，相对于采用稀油密封的曼型干式气柜还具有以下优点：
（1）吞吐量大，升降速度可达到 5m/min；贮气压力波动小，管网压力稳定。
（2）曼型气柜密封用的稀油在冬季寒冷地区得防止油结冰，温度较低时需要适当加热；威金斯气柜密封用的柔膜就没有这一要求，可以适用于我国任何地区。
（3）曼型气柜运行中需要有专门的人员负责，稀油耗费量大，并且需要保证油量充足，不能长时间断电；威金斯气柜的管理相对简单，即使在极端天气条件下也可以正常运营。
（4）威金斯气柜的使用寿命较曼型气柜更长。曼型气柜在使用寿命期间需要多次跟换稀油和活塞导轨，威金斯气柜只需要 20 年左右更换一次柔膜。
1.2 威金斯气柜的构成
威金斯气柜自 20 世纪 50 年代初在欧洲问世以来，先后在美国、德国、日本等国家得到了广泛应用和发展。我国于 1992 年在本溪钢铁有限公司建成了第一座自主研发的威金斯气柜，主要用于回收
转炉煤气。目前威金斯气柜在国内的应用越来越多，容量也逐渐加大。
威金斯气柜主要由柜体、柜顶、内部活塞、密封柔膜以及一些附属结构构成，图 1-2 是威金斯气柜的立面图，图 1-3 是威金斯气柜的剖面图。
威金斯气柜柜体是由立柱、具有一定曲率的侧板、抗风回廊以及环向肋组成的圆柱壳结构。立柱底部用螺栓与基础连接，气压、风荷载等荷载首先作用在侧板上，再通过立柱传递至基础，立柱还承受柜顶传来的荷载以及气柜的自重等竖向荷载。所有侧板构成了一个柱壳结构，可以承受较大的压力，抗风回廊和立柱又将侧板分成许多个区格，为侧板提供支撑，形成了一个空间受力体系。抗风回廊还为立柱提供侧向支撑，虽然立柱高度很大，但是在整体协调作用下，不会发生单根柱的失稳。
威金斯气柜的柜顶是由径梁、环梁、顶板组成的外加肋板球形网壳，在顶部还设有通风风帽。风帽的作用是通风采光，清除掉被煤气所污染的空气，同时换进外面的空气，风帽的外形尺寸和柜顶应成适当的比例，使得通风口排出的气流能够保持柜体在内外部正压下换气。径梁一端连接在中央环梁上，一端支撑在立柱上面。环梁将各个径梁连成一个整体，环梁和环梁之间设有小号角钢，用来传递顶板荷载。顶板焊在主梁上，除了起维护作用外还能增加柜顶的整体刚度。
威金斯气柜的活塞也由径梁、环梁及钢板组成，并设有 T 围栏。在活塞与立柱接触的部位设有导轮，活塞随着煤气压力的变化而上下移动，在活塞上面还有调平衡配重装置，以保持柜体内部气压的稳定。气柜柜底的钢板平铺于混凝土基础上，因此底板上的气压荷载可以直接由底板传至基础上。活塞和柜底通常做成相同曲率的穹顶，这样可以消除它们之间的空隙。
威金斯储气柜是用橡胶柔膜来密封气体的，进气时，气压推动活塞沿着
安装在立柱上的导轮向上移动，柔膜随之向上卷起，直至气压和活塞重量平衡。如果继续加气，活塞上升到设计的安全极限位置，则会在活塞和导轮接触部位产生较大的应力，有冲顶的危险，这时安全放散装置会打开，释放掉多余的气体。如果需要提高气体压力，可在活塞上添加混凝土配重块来提高储气压力并保持气压的稳定。
1.3 国内外研究现状
目前，国内外可以查询到的干式气柜的相关资料大都基于曼型气柜得出的，针对威金斯气柜相关的参考文献很少，主要集中在关于气柜的施工、安装调试、防腐检修以及橡胶膜特性等方面的一些介绍。近年来，随着威金斯气柜的广泛应用，部分高校和设计单位结合实际工程经验，对威金斯气柜也进行了大量的研究，取得了一定的成果。
由翁开庆于 1964 年翻译的美国的《72500m3活塞式低压储气罐结构计算及设计说明》，详细的介绍了气柜各个构件的计算设计过程，是我国最早可以查询的煤气柜设计资料。
游理华、王建宏等人于 1989 年对曼型煤气柜的计算理论和方法进行了研究，建立了内压和风压作用下的有限元模型，并由板的基本方程推导了侧壁板挠度和应力。
童根树、陈绍蕃等人于 1990 建立了曼型气柜柜体结构侧壁板的力学模型并推导了壁板的内力公式，分析了在各种外力作用下侧壁板的稳定性，提出了结构各个部分的的设计理论和方法。
陈一航于 1992 年摘译了日本三菱重工的《超大型
干式煤气柜抗风、抗震强度的研究》 ，介绍了日本为建立世界上最大的 45 万立方米的大型干式煤气柜，以 60 万立方米的气柜作为研究对象进行的抗风、抗震方面的研究。
曹开朗、李伟于 1999 年以薄壳原理求解威金斯气柜的内力，与以往的梁板理论的计算方法相比，该方法更接近于工程实际情况。
郑史雄在 2004 年对某大型储气柜进行了风洞试验，在模拟大气边界层紊流下测量出风压系数分布，并根据柜体结构的动力特性讨论了动力风荷载的确定。通过分析比较不同国家对动力风荷载的算法，获得了对储气柜考虑风振即动力风荷载的影响系数。
姜学宜于2004年利用有限元理论，对5万立方米的威金斯气柜柜体进行了静力计算和地震反应分析，提出了一些优化方案，并对威金斯储气柜的活塞围栏结构进行了不同计算模型的应力与变形分析。
马思嘉于2006年以8万立方米的威金斯气柜为对象，对气柜进行了静力分析，计算分析其在多种荷载工况作用下的变形、应力的分布规律；对活塞结构进行了屈曲分析，研究不同倾斜度、不同初始缺陷对活塞屈曲承载力的影响。
王秀丽于2007年对2万立方米和8万立方米的威金斯气柜进行了风荷载和雪荷载作用下的特征值屈曲和非线性屈曲分析，考虑了不同因素对柜体和柜顶稳定性的影响。
马明娟于 2008 年采用时程分析分别研究了气柜在三种典型的水平和竖向地震波作用下，结构的变形和应力的变化趋势。
1.4 问题的提出及本文工作内容
随着国民经济的发展和城市化进程的加快，钢铁、化工、城市煤气、污水处理等行业对储气设备的需求剧增。威金斯储气柜作为一种较新的储气设备，具有众多优良特性，已成为气柜行业的发展新趋势。目前国内已建成的威金斯气柜容量较小，大都只有几万立方米。而建设一座高压高容的威金斯气柜，与具有相同存总储能力的几座小型威金斯气柜相比，能够降低用钢量，节约土地占用面积，使用运营方便，进气排气速度快，极具推广价值。特别是在“十一五”期间，根据国家产业政策的要求，小型炼铁和炼钢企业将逐步退出历史舞台，伴随着钢铁工业的快速发展和炼钢设备的大型化，大型威金斯气柜将得到更广泛的应用。
威金斯气柜的柜体是高度较大的悬臂加劲圆柱壳，整体水平刚度较大，一般不会发生整体失稳；而柜顶是跨度较大的外加肋板球形网壳，这种结构的稳定承载能力较低，一旦发生失稳容易引起柜顶的整体塌陷，设计时应由柜顶的整体稳定控制。目前，大型威金斯气柜的设计应用实例还不多，由于缺乏设计理论，气柜在大型化时，设计人员往往通过加大构件截面和数量来保障结构的安全性。本文拟针对不同容量气柜的受力性能和结构特性进行比较分析，明确气柜的受力特点，并根据不同容量的气柜的计算结果提出相应的改进措施，尤其是为大型威金斯气柜的设计提供参考。本文主要进行了以下几个方面的工作：
（1）利用 ANSYS 的 APDL 语言，建立四个容量分别为 2 万立方米、5 万立方米、10 万立方米和 20 万立方米的威金斯气柜模型。
（2）对四个气柜进行了气压和风荷载作用下的有限元计算，比较分析了在气压和风荷载作用下柜体的变形和应力的变化规律以及大容量气柜的变形和内力的特点，并且分析了气压和风荷载作用下侧板、立柱、环向肋、抗风回廊对不同容量气柜受力的影响。
（3）单独建立了四个柜顶的有限元模型，通过变化径梁和环梁的刚度、径梁和环梁的数量、顶板厚度、矢跨比，对四个柜顶进行了线性屈曲分析，比较分析各因素对不同跨度柜顶的影响。根据线性屈曲得到的结果，对大跨度的柜顶进行适当的改进，计算不同参数下考虑几何非线性时柜顶的屈曲荷载，进一步准确判断大跨度柜顶的稳定性能是否满足工程要求。------------文章由
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