水泥罐抗風(fēng)驗算計算書

1、京新高速公路臨河至白疙瘩段三標(biāo)一分部(K532+150 K565+000 段)中國交通建設(shè)股份有限公司京新高速公路LBAMSG-項目總承包管理部第一項目部二0五年四月水泥罐抗風(fēng)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(fēng)性能進(jìn)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(chǔ)的傾覆性進(jìn)行了驗算， 并提出 相應(yīng)的抗風(fēng)加固措施。驗算依據(jù)為：公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTG D60-2004）及公路橋梁鋼 結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。二、風(fēng)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10 t,滿載時料

2、重300 t。根據(jù)公路橋涵設(shè)計基本規(guī)范中的 441條確定風(fēng)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(fēng)區(qū)分區(qū)范圍、 風(fēng)向、最大風(fēng)速分別為主導(dǎo)風(fēng)向 NW，最大風(fēng)速53m/s。相關(guān)抗風(fēng)的設(shè)計計算以 此為依據(jù)。表1風(fēng)級風(fēng)速換算表風(fēng)級風(fēng)速m/s風(fēng)級風(fēng)速m/s風(fēng)級風(fēng)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(shè)計基本規(guī)范中的441條規(guī)定，作用于結(jié)構(gòu)物上的風(fēng)荷載強 度可按下式計算：W K1K2K3W0（ 1）式中 W 風(fēng)荷載強度（Pa）;W。一基本風(fēng)壓值（Pa），W。2，系按平坦空

3、曠地面，離地面 20m1.6高，頻率1/100的10min平均最大風(fēng)速（m/s）計算確定；一般情況W0可按鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范中附錄 D “全國基本風(fēng)壓分布圖”，并通過實地調(diào)查核實后米用;Ki 風(fēng)載體形系數(shù)，對橋墩可參照鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范中表441-1, 其它構(gòu)件為1.3；K2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)，可參照鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范中表441-2, 風(fēng)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(fēng)壓值；K3 地形、地理條件系數(shù)，可參照鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范中表441-3。 針對本工程場地實際特點，取 k1=1.3, k2=1.0，k3=1.3。取風(fēng)級

4、11下的 風(fēng)速為30m/s,風(fēng)級13下的風(fēng)速為39m/s,風(fēng)級15下的風(fēng)速為48m/s；風(fēng)級17 下的風(fēng)速為58m/s。計算得罐體每延米的荷載強度見表 2。表2風(fēng)級與風(fēng)荷載強度大小風(fēng)級風(fēng)速m/sW0paK1K2k3W pa迎風(fēng)面積m2延米風(fēng)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

5、及受力最不利原則，驗算時重點對罐體滿載的情況進(jìn)行了立柱的 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(fēng)級11結(jié)構(gòu)性能抗風(fēng)驗算風(fēng)級11時的風(fēng)荷載和罐體滿載時的恒荷載（包括自重）組合進(jìn)行立柱的強度、穩(wěn)定性驗算。同時對風(fēng)級11時的風(fēng)荷載和罐體空載時的恒荷載組合進(jìn)行了 基礎(chǔ)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(fēng)荷載作用下，按照風(fēng)荷載+罐體滿載時計算得到的立柱應(yīng)力見圖3。9尺9岳- E囲戈qMIDASjCivilPOST-FRGUE盟OF.BEAM STR.ES5O.O

6、DOOOe+OQO'3,8203«+04.5328Lfe 中叩4-1.95672e-0044.4474e+0042.6192Ge-KlO41.09401e-K)04-3.563S4e+0045.67011 e+004-1.1 lOC9e-i-005CB:腐掘+仁圾與MAK i 11MIN : 6丈件！二工國2*大找 舉柱：kZjmr 日期;XrOi4S3E 0,35?圖3風(fēng)荷載+罐體滿載時立柱應(yīng)力圖(單位：kpa)從圖3可知，在立柱底截面的應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力為111MPa鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中3.2.1條的規(guī)定，Q235鋼的彎曲基本容許應(yīng)力為140 MPa。 在主力+風(fēng)力

7、組合下，容許應(yīng)力提高系數(shù)為 1.2倍，所以提高后的彎曲容許應(yīng)力 為140*1.2=168 MPa。從分析結(jié)果上看，立柱底截面的最大應(yīng)力數(shù)值均小于168MPa，故在風(fēng)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= 3302 3142 /4=113.9mm長細(xì)比 入二L/r=4500/113.9=40查軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)表，© =088立柱的穩(wěn)定容許應(yīng)力為0.88x168=148 Mpa,立柱的實際應(yīng)力小于立柱的穩(wěn) 定容許應(yīng)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(jìn)一步研究罐

8、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(jìn)行了屈曲特征值分析，輸入自重（不變）和風(fēng)荷載（可變）后進(jìn)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(fēng)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4BUCKLING MODEMode 1MAK 1 ISMIN ! 4文件i二工忑才攬醱日購：05/01/2010圖4第一階失穩(wěn)模態(tài)整體有限元模型圖2 局部放大模型（3）罐體空載狀

9、態(tài)下基礎(chǔ)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，故只檢算空罐情況下基礎(chǔ)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(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力kN ；G:基礎(chǔ)重力kN ;M :風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩kN- m；H :基礎(chǔ)高m;a： 基礎(chǔ)寬m;b：基礎(chǔ)長m ；11級風(fēng)何載作用下相關(guān)的計算參數(shù)：N=98.32kN3M=855k N - m c=30kPa忙30°丫(土體容重)=19kN/ma=5.00mb=5.00mH=2.1m F=57 kN1)整體抗傾覆檢算12tEp H Kp 2cK Kp =19*2.1*

10、2.1*3/2+2*30*2.1*.3 =343.923kN/m式中：Ep:單寬被動土壓力kN/m ;Kp:朗肯被動土壓力系數(shù)，Kp tg2(45° 2)=3；H:基礎(chǔ)埋深；c :土體粘聚力kPa；:土體容重；m1HEpb=343.923*2.1*5/3=1203.732k N mp 3式中M1 :被動土壓力Ep所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩；Ep' 1 (H)2 Kp 2cHKp =252.3717kN/m式中Ep :單寬被動土壓力kN/m ；M2 Ep' - H b =701.0326 kN- mp 33式中M 2:被動土壓力Ep所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩；G1V =23*a*b*H=1

11、207.5kN式中G :基礎(chǔ)重力；1G G N =1305.82 kN式中G':總豎向力；aMgn G =3264.55kN m2式中：Mgn':豎向力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩；M 3=F*H=49.875*2.1=119.7k N - m式中： M3 :風(fēng)荷載水平力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩kN- m；M M1 Mgn' M2 M3 =3647.549 kN m因為： M /M4.266G& M2所以：罐體不會發(fā)生傾覆破壞2）基底抗滑移檢算f ?N一Fs=0.45*1305.82/57=10.30911 （實際此時水平力不足以引起基礎(chǔ)滑動，基礎(chǔ)側(cè)面土體的抵抗作用尚未發(fā)揮，故抗滑穩(wěn)定

12、性滿足要求，有比較大的安全儲備）式中：Fs :基底滑動安全系數(shù)，可根據(jù)建筑物等級，查有關(guān)設(shè)計規(guī)范，一般1.2-1.4N :作用在基底的豎向力的總和，kN ;F ：作用于基底的水平力的總和，kN ;f :基礎(chǔ)與地基土的摩擦系數(shù)，經(jīng)查表取0.45綜上所述，基礎(chǔ)在11級風(fēng)荷載+罐體空載作用下安全可靠。3.2風(fēng)級13結(jié)構(gòu)性能抗風(fēng)驗算風(fēng)級13時的風(fēng)荷載和罐體滿載時的恒荷載（包括自重）組合進(jìn)行立柱的強度、穩(wěn)定性驗算。同時對風(fēng)級13時的風(fēng)荷載和罐體空載時的恒荷載組合進(jìn)行了 基礎(chǔ)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(fēng)荷載作用下，按照風(fēng)荷載+罐體滿載時計算得到的立柱應(yīng)力見圖6。圖6風(fēng)

13、荷載+罐體滿載時立柱應(yīng)力圖（單位:OJCBLrlg 寸POST -PROCESSORGEAM STRESSfi.W3S5e+O044,3e642t+O0-t2.70900e+CXi4 l.&31S7e+OCi4 mOOOOh+OOD-3232SeH-(5O4 -4.OO0Xie-i-OD4 -5.67S13e+O04-?,OG2Be+OO41,07104s+005 '1石8殛+皿5GE；稱欣+15檢忸MAX : 1.1MIN : 6丈祥：-12#大JS 組也：kN An 2 日削：0501/2010X：-O.4S32： 口,細(xì)kpa)從圖6可知，在立柱底截面的應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)

14、力為 124Mpa< 168 MPa, 故在風(fēng)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(yīng)力為0.88x168=148 Mpa,立柱的實際應(yīng)力小于立柱的穩(wěn)定容許應(yīng)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(jìn)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(jìn)行了屈曲特征值分析，輸入自重（不變）和風(fēng)荷載（可變）后進(jìn)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(fēng)荷載（可 變）加上自重等于屈曲荷載值，分析結(jié)果見表 4。模態(tài)特征值112.26221.16335.63表4支撐

15、構(gòu)件的整體穩(wěn)定性從表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(chǔ)的穩(wěn)定性檢算N=98.32 kNM=1445.4k N mF=96.36kN1) 抗傾覆驗算：檢算圖示及原理同11級風(fēng)荷載作用下，經(jīng)計算分析可得：M /MMB1564/8G3/144524=2.466372故13級風(fēng)荷載作用下，空罐體不會發(fā)生傾覆破壞。2) 抗滑移驗算Fs= f ?N =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(chǔ)滑 動，基礎(chǔ)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

16、.3風(fēng)級15結(jié)構(gòu)性能抗風(fēng)驗算風(fēng)級15時的風(fēng)荷載和罐體滿載時的恒荷載(包括自重)組合進(jìn)行立柱的強 度、穩(wěn)定性驗算。同時對風(fēng)級15時的風(fēng)荷載和罐體空載時的恒荷載組合進(jìn)行了 基礎(chǔ)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(fēng)荷載作用下，按照風(fēng)荷載+罐體滿載時計算得到的立柱應(yīng)力見圖7。MIDA&/QvilPOST PROCESSORBEAM STRESS熄&（晶尢閶A.S942Se+0CH 4.990706+0043.06712a+0041 .18354e+O04 WOOOe+OOO,5£720&+004&.4307ee+CKH -S .

17、3543004-bE1415e-t-005-1.4O4 呂 IbOOSCB；酈瓏十陸但MAU : 12Min iSTTESTxi- 砸 kN/<n A2 日期：OS/Dljmi口 走護(hù)齊mZ! 0.391圖7風(fēng)荷載+罐體滿載時立柱應(yīng)力圖（單位：kpa）從圖7可知，在立柱底截面的應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力為 141Mpa< 168 MPa, 故在風(fēng)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(yīng)力為0.88x168=148 Mpa,立柱的實際應(yīng)力略小于立柱的穩(wěn)定容許應(yīng)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

18、為了進(jìn)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(jìn)行了屈曲特征值分析，輸入自重（不變）和風(fēng)荷載（可變）后進(jìn)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(fēng)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8Z! 0259圖8第一階失穩(wěn)模態(tài)站ORBUCKLING MODE%界胸戦T=3.072E+0O0Made 1vlAXT 13WIN ! 4靈件：二工區(qū)2#衣緩B! 05/

19、01/2010K1-0.49Gf ;-0.837(3) 罐體空載狀態(tài)下基礎(chǔ)的穩(wěn)定性檢算N= 98.32 kNM=2190.6k N- mF=146.04 kN1)抗傾覆驗算：檢算圖示及原理同11級風(fēng)荷載作用下，經(jīng)計算分析可得:M /MM346M565/2l9026=1.579734故15級風(fēng)荷載作用下，空罐體不會發(fā)生傾覆破壞。2)抗滑移驗算l f ?NFs =0.45*1305.82/146.04= 4.023685s F計算結(jié)果表明，水平力不足以引起基礎(chǔ)滑動，基礎(chǔ)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。3.4風(fēng)級17結(jié)構(gòu)性能抗風(fēng)驗算風(fēng)級17時的風(fēng)荷載和罐體滿載

20、時的恒荷載(包括自重)組合進(jìn)行立柱的強 度、穩(wěn)定性驗算。同時對風(fēng)級17時的風(fēng)荷載和罐體空載時的恒荷載組合進(jìn)行了 基礎(chǔ)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(fēng)荷載作用下，按照風(fēng)荷載+罐體滿載時計算得到的立柱應(yīng)力見圖 9MIDAS/GvilPOST PROCESSORBEAM STRESS 7,7S4e*QQ45,E4321e+0043 3feS9e-*-004 1.191SSa+004 O,D0OOOe+0OO 3.1650+00 斗 S.3434U+QO4 7.52174*004 9.70M&e+Od4 1 lB78e+0O5-1.4074+005-1 ,G2

21、3£Oe+OOE陽：MAK i 12MIN i 4丈書：生嗆；kN/m日期：Q弓陽1同IQw； n.02j圖9風(fēng)荷載+罐體滿載時立柱應(yīng)力圖（單位：kpa）從圖9可知，在立柱底截面的應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力為 162Mpa< 168 MPa, 故在風(fēng)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(yīng)力為0.88x168=148 Mpa,立柱的實際應(yīng)力大于立柱的穩(wěn)定容許應(yīng)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(jìn)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(jìn)行了屈曲特征值分析，輸入自重

22、（不變）和風(fēng)荷載（可變）后進(jìn)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(fēng)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(chǔ)的穩(wěn)定性檢算N=98.32kNM= 3198.6k N mF= 213.24kN1）抗傾覆驗算：檢算圖示及原理同11級風(fēng)荷載作用下，經(jīng)計算分析可得：M /MM331M445/3M8?6=1.037781故17級風(fēng)荷載作用下，空罐體不會發(fā)生傾覆破壞。2）抗滑移驗算Fs

23、 =f ?NF=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(chǔ)滑動，基礎(chǔ)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(fēng)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(fēng)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(yīng)的抗風(fēng)加固措施， 以提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)承載能力，并對加固 后的結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行評價。4.1風(fēng)級17時罐體抗風(fēng)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(fēng)荷載作用時錨索的受力，減小立柱的受力），一端

24、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(yīng)力見圖11.£G箱4H0X 4£i76®e-Hia 2,善韶右亡MM OUDULJOfi-iKlUD -1皿聖電廿g-7145Cc»4 -GEina 二 0+004-.K11C&-H3E1 X白“TCEd #307%4血L&1； flt-a+iqmMA l 10MIH ? 4立科AGl-ZTE-?'*4： kN/m 日剛：u引真廚mu 城事片Wi右 0.C15圖10加固后有限元模型圖圖11風(fēng)荷載+罐體空載時立柱應(yīng)力圖從圖10可知，在立柱底截面的應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力為143Mpa< 168 MPa, 故加固后在風(fēng)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