高速公路工程水泥罐抗風(fēng)驗算計算書

1、x高速公路x至x段三標(biāo)一分部(K532+150K565+000 段)水泥罐抗風(fēng)驗算計算書x建設(shè)股份有限公司水泥罐抗風(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

2、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，系按平坦空曠地面，離地面 20m1.6高，頻率1/100的10mi

3、n平均最大風(fēng)速（m/s）計算確定；一般情況W?？砂磋F 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11下的 風(fēng)速為30m/s,風(fēng)級13下的風(fēng)速為39m/

4、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

5、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。Zi 0,25MIDA5/CivilPOST-PROCESSOR BEAM STRESS 甩機帛大畫5.67011 *+004 4.14474eDD4

6、2.61938e-K0041.09401«k004 OWOOOe+OOO -l.«672e+0D4 -3.4S20fie+004 -5XO745e+0O4 -6S3281a+004 昭 J0SS1 強+004 -9.5e3S4e+OO4 -1.1108?e-i-O0SCB!鞘戰(zhàn)+12愛罠MAT 11men i a 丈件！二工區(qū)2#大播kN/m*2 目期：站foi/SCiciXra,4®3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

7、為140 MPa。 在主力+風(fēng)力組合下，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 QL/r=4500/113.9=40查軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)表，忙0.88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

8、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 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4BUCK LIN? MODEfe=2.072E+001IVIoda 1MAJi : 18MIN I 4丈杵；二工區(qū)2#大攝單冊日期1 05/01/2010Z;

9、0,259圖4第一階失穩(wěn)模態(tài)圖2 局部放大模型圖1整體有限元模型(3) 罐體空載狀態(tài)下基礎(chǔ)的穩(wěn)定性檢算圖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;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。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

10、 kN1)整體抗傾覆檢算1 2(EpH Kp 2cK Kp =19*2.1*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 ) =3；H:基礎(chǔ)埋深；c :土體粘聚力kPa;:土體容重；m1H=Epb=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' =】Y(H)2Kp +2cHjKp =252.3717kN/m233式中Ep :單寬被動土壓力kN/m ；'1 HM2 =Epb =701.0326 kN- mp 33

11、式中M 2:被動土壓力Ep所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩；G = * =23*a*b*H=1207.5kN式中G :基礎(chǔ)重力；GG 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；' MMGn-M2 -M3 =3647.549 kN m因為：v M /MM4.266G& -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

12、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、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。POST -PROCESSORBEAM 5TRE'5S4,38!&42s+X4*7.3E556e+0042.7000e+X4l,03157e+M4O.OOOOOe+XO-2.323SSe-H004 -4,00070e-*-004 -5.&7013e+OO46.06335S+004'9.032966-1-004 -1.071D4e-K005-l.Z3e78a+X5CB;櫥盤+15樹口MAX ; 11MIN : E丈杵i二工區(qū)2#大蠶 施也 i kN/m A3 日朗；OS/D1/2010層希方旬：-

14、0.433AZ; Q2B9圖6風(fēng)荷載+罐體滿載時立柱應(yīng)力圖（單位： kpa）從圖6可知，在立柱底截面的應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)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

15、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。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(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 /MlM31564/8G3/144524=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二彳；N =0.45*1305.82/96.36=6.098163 計算結(jié)果表

16、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。3.3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。黒寸lnB 巴桃呂叩MIDAS/CivilP6T -PRXE 弟 QRBEAM STRESS3.08712e-i-004O.OOOOOe-i-OOO4.527200+0046.4307Se

17、+0048.3345&a+0Cl41.02379e+0ClS1.21415e+0056.894Z8aH-a044.990705+0041.183S4+0041.40451 £+005CB;曙St+12姒詛MAK ; 12MIN : 4M：二工區(qū)2#犬總kN/m A2日期：。引(H/2CIK)X 1-0.367£Z; 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0.88

18、x168=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8I I .Ul I-i_

19、FJ VUII沁亡灶I(lǐng)MG MODE臨斤旃欣ft=3J072E+000M*de 1MAX : ISMIN : ABan； QE/01J2010 農(nóng)示”方囪X 1-0.433YrO.837Zi 0.25S圖8第一階失穩(wěn)模態(tài)(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= 4.0236

20、85s 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)級仃結(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7.72&54e+0045.54821 e+0043.36999+0041.1915&e+004 .e+000-3.1650&+004-7,S2174a+004-,700066+004CB; jR+15 躡鳳MAX : 1

21、2MIN : 4呈恤kN/m A2BR! D5/01/2Q10X: 0302*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/CivilPOET-PROCE 労 ORBEAM STRESS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

22、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 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：送 M /M

23、M33Ml445/3M$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l f *NFs=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© 4

24、0mm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.站D 辭!TCiHilPOST 甲 OCE55ORBEAM WTRE空S&駅星和I)SE呂陀瞼+004 斗 j674<£e*C04 盍77百込TEO-OOOOQfi+OQO -l£iL?%e-hOO4 -2.-9Jiei8e00 斗 4S1633e*D04 -*.71<6Oe*DQ7JD5110fi*005 -1 240®e-h005 -i .4307Se0050B=厲麒亠15舉EMAX s 10MIN ； 4Z： Q-D16立作：加固片二HE2 單枚：kN葉2 日贈；0呂膽丄尼C1D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