高速公路工程水泥罐抗風驗算計算書

1、.x高速公路臨白三標一分部 水泥罐抗風驗算計算書 x高速公路x至x段三標一分部（K532+150K565+000段）水泥罐抗風驗算計算書x建設股份有限公司 :x建設股份有限公司 - 1 - 水泥罐抗風驗算計算書一、驗算內(nèi)容及驗算依據(jù)為保證我項目水泥罐安全性對我分部拌合站筒倉的抗風性能進行了驗算。主要從拌合站筒倉支撐構(gòu)件的強度、穩(wěn)定性及基礎的傾覆性進行了驗算，并提出相應的抗風加固措施。驗算依據(jù)為：公路橋涵設計通用規(guī)范（JTG D60-2004）及公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范。二、風荷載大小的確定根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及相關(guān)工區(qū)提供的資料，檢算時取罐體長度為12m，支腿長度為9.0m。罐體直徑為5.0m, 自重為

2、10 t，滿載時料重300 t。根據(jù)公路橋涵設計基本規(guī)范中的4.4.1條確定風荷載的大小。根據(jù)資料顯示，我項目部施工范圍內(nèi)混凝土攪拌站在沿線大風區(qū)分區(qū)范圍、風向、最大風速分別為主導風向NW，最大風速53m/s。相關(guān)抗風的設計計算以此為依據(jù)。表1 風級風速換算表風級風速m/s風級風速m/s風級風速m/s1024.5-28.41128.5-32.61232.7-36.91337.0-41.41441.5-46.11546.2-50.9公路橋涵設計基本規(guī)范中的4.4.1條規(guī)定，作用于結(jié)構(gòu)物上的風荷載強度可按下式計算： （1）式中 風荷載強度（Pa）；基本風壓值（Pa），系按平坦空曠地面，離地面20m

3、高，頻率1/100的10min平均最大風速（m/s）計算確定；一般情況可按鐵路橋涵設計基本規(guī)范中附錄D“全國基本風壓分布圖”，并通過實地調(diào)查核實后采用；風載體形系數(shù)，對橋墩可參照鐵路橋涵設計基本規(guī)范中表4.4.1-1，其它構(gòu)件為1.3；風壓高度變化系數(shù)，可參照鐵路橋涵設計基本規(guī)范中表4.4.1-2，風壓隨離地面或常水位的高度而異，除特殊高墩個別計算外，為簡化計算，橋梁工程中全橋均取軌頂高度處的風壓值；地形、地理條件系數(shù)，可參照鐵路橋涵設計基本規(guī)范中表4.4.1-3。針對本工程場地實際特點，取k1=1.3， k2=1.0 ，k3=1.3。取風級11下的風速為30m/s，風級13下的風速為39m/

4、s，風級15下的風速為48m/s；風級17下的風速為58m/s。計算得罐體每延米的荷載強度見表2。表2 風級與風荷載強度大小風級風速m/sW0 paK1K2k3W pa迎風面積m2延米風載強度kN/m1130562.51.311.3950.654.751339950.61.311.31606.658.0315481440.01.311.32433.6512.1717582102.51.311.33553.2517.77三、不同工況下立柱強度、穩(wěn)定性及整體傾覆檢算為了考慮罐體支架的內(nèi)力，檢算過程采用有限元數(shù)值計算方法。根據(jù)工程的實際使用情況及受力最不利原則，驗算時重點對罐體滿載的情況進行了立柱的

5、強度及穩(wěn)定性驗算。罐體立柱采用330mm（壁厚8mm），立柱間橫撐采用槽鋼120x40 x4.5mm。有限元模型見圖1及圖2。3.1 風級11結(jié)構(gòu)性能抗風驗算風級11時的風荷載和罐體滿載時的恒荷載（包括自重）組合進行立柱的強度、穩(wěn)定性驗算。同時對風級11時的風荷載和罐體空載時的恒荷載組合進行了基礎的穩(wěn)定性驗算。（1）罐體滿載狀態(tài)下立柱的強度及穩(wěn)定性驗算在11級風荷載作用下，按照風荷載+罐體滿載時計算得到的立柱應力見圖3。圖3 風荷載+罐體滿載時立柱應力圖（單位：kpa）從圖3可知，在立柱底截面的應力最大，最大壓應力為111MPa。鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中3.2.1條的規(guī)定，Q235鋼的彎曲基本

6、容許應力為140 MPa。在主力+風力組合下，容許應力提高系數(shù)為1.2倍，所以提高后的彎曲容許應力為140*1.2=168 MPa。從分析結(jié)果上看，立柱底截面的最大應力數(shù)值均小于168 MPa，故在風級11+罐體滿載狀態(tài)下，立柱的強度滿足規(guī)范要求。從桿件的局部穩(wěn)定性來看：取鋼管立柱L=4.5m檢算。鋼管回轉(zhuǎn)半徑r=/4=113.9mm長細比=L/r=4500/113.9=40查軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)表，=0.88 立柱的穩(wěn)定容許應力為0.88x168=148 Mpa, 立柱的實際應力小于立柱的穩(wěn)定容許應力，所以立柱的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。（2）罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性驗算 為了進一步研究罐體

7、滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性，本報告采用有限元軟件進行了屈曲特征值分析，輸入自重（不變）和風荷載（可變）后進行屈曲分析。 分析結(jié)果輸出的特征值變成屈曲荷載系數(shù)，屈曲荷載系數(shù)乘以風荷載（可變）加上自重等于屈曲荷載值，分析結(jié)果見表3。表3 支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性模態(tài)特征值120.72235.76360.15從表3可知，罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性屈曲荷載系數(shù)最小為20.72，滿足穩(wěn)定性要求。第一階失穩(wěn)模態(tài)見圖4。圖4 第一階失穩(wěn)模態(tài) 圖1 整體有限元模型 圖2 局部放大模型（3）罐體空載狀態(tài)下基礎的穩(wěn)定性檢算根據(jù)罐體受力分析，在空罐情況下較滿灌情況下，地基土體發(fā)生剪切破壞，發(fā)生整體傾覆，故只

8、檢算空罐情況下基礎的整體穩(wěn)定情況。圖5 單個罐體整體穩(wěn)定性計算簡圖上圖中：N：罐體豎向力kN；F：風荷載產(chǎn)生的水平力kN；G：基礎重力kN；M：風荷載產(chǎn)生的彎矩kN·m；H：基礎高m；a：基礎寬m；b：基礎長m；11級風荷載作用下相關(guān)的計算參數(shù)：N=98.32kN M=855kN·m c=30kPa =30° （土體容重）=19kN/m3 a=5.00m b=5.00m H=2.1m F=57 kN1）整體抗傾覆檢算=19*2.1*2.1*3/2+2*30*2.1*=343.923kN/m式中：單寬被動土壓力kN/m；：朗肯被動土壓力系數(shù)，=3；：基礎埋深；：土體

9、粘聚力kPa；：土體容重；=343.923*2.1*5/3=1203.732kN·m 式中： ：被動土壓力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩；=252.3717kN/m式中： ：單寬被動土壓力kN/m；=701.0326 kN·m 式中： ：被動土壓力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩；=23*a*b*H=1207.5kN式中： G：基礎重力；=1305.82 kN 式中： ：總豎向力；=3264.55kN·m式中：豎向力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩；=F*H=49.875*2.1=119.7kN·m 式中： M3：風荷載水平力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩kN·m； =3647.549 kN·m因

10、為：/M4.26614所以：罐體不會發(fā)生傾覆破壞2）基底抗滑移檢算=0.45*1305.82/57=10.30911 (實際此時水平力不足以引起基礎滑動，基礎側(cè)面土體的抵抗作用尚未發(fā)揮，故抗滑穩(wěn)定性滿足要求，有比較大的安全儲備)式中：基底滑動安全系數(shù)，可根據(jù)建筑物等級，查有關(guān)設計規(guī)范，一般1.2-1.4：作用在基底的豎向力的總和，kN；：作用于基底的水平力的總和，kN；：基礎與地基土的摩擦系數(shù)，經(jīng)查表取0.45綜上所述，基礎在11級風荷載+罐體空載作用下安全可靠。3.2 風級13結(jié)構(gòu)性能抗風驗算風級13時的風荷載和罐體滿載時的恒荷載（包括自重）組合進行立柱的強度、穩(wěn)定性驗算。同時對風級13時的

11、風荷載和罐體空載時的恒荷載組合進行了基礎的穩(wěn)定性驗算。（1）罐體滿載狀態(tài)下立柱的強度及穩(wěn)定性驗算在13級風荷載作用下，按照風荷載+罐體滿載時計算得到的立柱應力見圖6。圖6 風荷載+罐體滿載時立柱應力圖（單位：kpa）從圖6可知，在立柱底截面的應力最大，最大壓應力為124Mpa< 168 MPa，故在風級13+罐體滿載狀態(tài)下，立柱的強度滿足規(guī)范要求。從桿件的局部穩(wěn)定性來看：立柱的穩(wěn)定容許應力為0.88x168=148 Mpa, 立柱的實際應力小于立柱的穩(wěn)定容許應力，所以立柱的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。（2）罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性驗算 為了進一步研究罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性，

12、本報告采用有限元軟件進行了屈曲特征值分析，輸入自重（不變）和風荷載（可變）后進行屈曲分析。 分析結(jié)果輸出的特征值變成屈曲荷載系數(shù)，屈曲荷載系數(shù)乘以風荷載（可變）加上自重等于屈曲荷載值，分析結(jié)果見表4。表4 支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性模態(tài)特征值112.26221.16335.63從表4可知，罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性屈曲荷載系數(shù)最小為12.26，滿足穩(wěn)定性要求。（3）罐體空載狀態(tài)下基礎的穩(wěn)定性檢算N=98.32 kN M=1445.4kN·m F=96.36kN1)抗傾覆驗算：檢算圖示及原理同11級風荷載作用下，經(jīng)計算分析可得：/M=3564.893/1445.4=2.466372故

13、13級風荷載作用下，空罐體不會發(fā)生傾覆破壞。2）抗滑移驗算=0.45*1305.82/96.36=6.098163計算結(jié)果表明， 水平力不足以引起基礎滑動，基礎側(cè)面土體的抵抗作用尚未發(fā)揮，故抗滑穩(wěn)定性滿足要求，有比較大的安全儲備。3.3 風級15結(jié)構(gòu)性能抗風驗算風級15時的風荷載和罐體滿載時的恒荷載（包括自重）組合進行立柱的強度、穩(wěn)定性驗算。同時對風級15時的風荷載和罐體空載時的恒荷載組合進行了基礎的穩(wěn)定性驗算。（1）罐體滿載狀態(tài)下立柱的強度及穩(wěn)定性驗算在15級風荷載作用下，按照風荷載+罐體滿載時計算得到的立柱應力見圖7。圖7 風荷載+罐體滿載時立柱應力圖（單位：kpa）從圖7可知，在立柱底截

14、面的應力最大，最大壓應力為141Mpa< 168 MPa，故在風級15+罐體滿載狀態(tài)下，立柱的強度滿足規(guī)范要求。從桿件的局部穩(wěn)定性來看：立柱的穩(wěn)定容許應力為0.88x168=148 Mpa, 立柱的實際應力略小于立柱的穩(wěn)定容許應力，所以立柱的穩(wěn)定性基本滿足規(guī)范要求。（2）罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性驗算 為了進一步研究罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性，本報告采用有限元軟件進行了屈曲特征值分析，輸入自重（不變）和風荷載（可變）后進行屈曲分析。 分析結(jié)果輸出的特征值變成屈曲荷載系數(shù)，屈曲荷載系數(shù)乘以風荷載（可變）加上自重等于屈曲荷載值，分析結(jié)果見表5。表5 支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性模態(tài)特

15、征值18.07213.9323.44從表5可知，罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性屈曲荷載系數(shù)最小為8.07，穩(wěn)定性滿足要求。一階失穩(wěn)模態(tài)見圖8。圖8 第一階失穩(wěn)模態(tài)（3）罐體空載狀態(tài)下基礎的穩(wěn)定性檢算N= 98.32 kN M=2190.6kN·m F=146.04 kN1)抗傾覆驗算：檢算圖示及原理同11級風荷載作用下，經(jīng)計算分析可得：/M=3460.565/2190.6=1.579734故15級風荷載作用下，空罐體不會發(fā)生傾覆破壞。2）抗滑移驗算=0.45*1305.82/146.04= 4.023685計算結(jié)果表明，水平力不足以引起基礎滑動，基礎側(cè)面土體的抵抗作用尚未發(fā)揮，故

16、抗滑穩(wěn)定性滿足要求，有比較大的安全儲備。3.4 風級17結(jié)構(gòu)性能抗風驗算風級17時的風荷載和罐體滿載時的恒荷載（包括自重）組合進行立柱的強度、穩(wěn)定性驗算。同時對風級17時的風荷載和罐體空載時的恒荷載組合進行了基礎的穩(wěn)定性驗算。（1）罐體滿載狀態(tài)下立柱的強度及穩(wěn)定性驗算在17級風荷載作用下，按照風荷載+罐體滿載時計算得到的立柱應力見圖9。圖9 風荷載+罐體滿載時立柱應力圖（單位：kpa）從圖9可知，在立柱底截面的應力最大，最大壓應力為162Mpa< 168 MPa，故在風級17+罐體滿載狀態(tài)下，立柱的強度滿足規(guī)范要求。從桿件的局部穩(wěn)定性來看：立柱的穩(wěn)定容許應力為0.88x168=148 M

17、pa, 立柱的實際應力大于立柱的穩(wěn)定容許應力，所以立柱的穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。（2）罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性驗算 為了進一步研究罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性，本報告采用有限元軟件進行了屈曲特征值分析，輸入自重（不變）和風荷載（可變）后進行屈曲分析。 分析結(jié)果輸出的特征值變成屈曲荷載系數(shù)，屈曲荷載系數(shù)乘以風荷載（可變）加上自重等于屈曲荷載值，分析結(jié)果見表6。表6 支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性模態(tài)特征值15.5429.56316.09從表6可知，罐體滿載狀態(tài)下支撐構(gòu)件的整體穩(wěn)定性屈曲荷載系數(shù)最小為5.54，穩(wěn)定性滿足要求。（3）罐體空載狀態(tài)下基礎的穩(wěn)定性檢算N=98.32kN M= 319

18、8.6kN·m F= 213.24kN1)抗傾覆驗算：檢算圖示及原理同11級風荷載作用下，經(jīng)計算分析可得：/M= 3319.445/3198.6=1.037781故17級風荷載作用下，空罐體不會發(fā)生傾覆破壞。2）抗滑移驗算=0.45*1305.82 /213.24= 2.75567計算結(jié)果表明，水平力不足以引起基礎滑動，基礎側(cè)面土體的抵抗作用尚未發(fā)揮，故抗滑穩(wěn)定性滿足要求，有比較大的安全儲備。 四、抗風加固措施及其加固后承載能力檢算通過前面的計算分析可知，在風級17下立柱的局部穩(wěn)定性均不滿足規(guī)范要求。因此必須采取相應的抗風加固措施，以提高結(jié)構(gòu)的抗風承載能力，并對加固后的結(jié)構(gòu)承載能力進

19、行評價。4.1風級17時罐體抗風加固計算（1）罐體滿載狀態(tài)下立柱的強度及穩(wěn)定性驗算采用1根40mm的錨索（較大的直徑增加了錨索的抗拉剛度，有利于增加風荷載作用時錨索的受力，減小立柱的受力），一端拉住罐體，另一端固定于鋼筋混凝土的地錨上，其中兩根錨索與地面傾角為45度。加固后的有限元模型見圖10。加固后的立柱應力見圖11. 圖10 加固后有限元模型圖 圖11 風荷載+罐體空載時立柱應力圖 從圖10可知，在立柱底截面的應力最大，最大壓應力為143Mpa< 168 MPa，故加固后在風級17+罐體滿載狀態(tài)下，立柱的強度滿足規(guī)范要求。從桿件的局部穩(wěn)定性來看：立柱的穩(wěn)定容許應力為0.88x168=148 Mpa, 立柱的實際應力小于立柱的穩(wěn)定容許應力，所以立柱的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。此時錨索的拉力為69 kN(45度傾角)，對應的應力為55MPa (45度傾角)。因此錨索的應力也滿足其強度要求。（2