高速公路工程水泥罐抗風(fēng)驗(yàn)算計(jì)算書(shū)

1、.x高速公路臨白三標(biāo)一分部 水泥罐抗風(fēng)驗(yàn)算計(jì)算書(shū) 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(yàn)算計(jì)算書(shū)x建設(shè)股份有限公司 :x建設(shè)股份有限公司 - 1 - 水泥罐抗風(fēng)驗(yàn)算計(jì)算書(shū)一、驗(yàn)算內(nèi)容及驗(yàn)算依據(jù)為保證我項(xiàng)目水泥罐安全性對(duì)我分部拌合站筒倉(cāng)的抗風(fēng)性能進(jìn)行了驗(yàn)算。主要從拌合站筒倉(cāng)支撐構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及基礎(chǔ)的傾覆性進(jìn)行了驗(yàn)算，并提出相應(yīng)的抗風(fēng)加固措施。驗(yàn)算依據(jù)為：公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D60-2004）及公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。二、風(fēng)荷載大小的確定根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及相關(guān)工區(qū)提供的資料，檢算時(shí)取罐體長(zhǎng)度為12m，支腿長(zhǎng)度為9.0m。罐體直徑為5.0m, 自重為

2、10 t，滿載時(shí)料重300 t。根據(jù)公路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范中的4.4.1條確定風(fēng)荷載的大小。根據(jù)資料顯示，我項(xiàng)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(jì)計(jì)算以此為依據(jù)。表1 風(fēng)級(jí)風(fēng)速換算表風(fēng)級(jí)風(fēng)速m/s風(fēng)級(jí)風(fēng)速m/s風(fēng)級(jí)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(jì)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(fēng)荷載強(qiáng)度可按下式計(jì)算： （1）式中 風(fēng)荷載強(qiáng)度（Pa）；基本風(fēng)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(fēng)速（m/s）計(jì)算確定；一般情況可按鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范中附錄D“全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖”，并通過(guò)實(shí)地調(diào)查核實(shí)后采用；風(fēng)載體形系數(shù)，對(duì)橋墩可參照鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范中表4.4.1-1，其它構(gòu)件為1.3；風(fēng)壓高度變化系數(shù)，可參照鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范中表4.4.1-2，風(fēng)壓隨離地面或常水位的高度而異，除特殊高墩個(gè)別計(jì)算外，為簡(jiǎn)化計(jì)算，橋梁工程中全橋均取軌頂高度處的風(fēng)壓值；地形、地理?xiàng)l件系數(shù)，可參照鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范中表4.4.1-3。針對(duì)本工程場(chǎng)地實(shí)際特點(diǎn)，取k1=1.3， k2=1.0 ，k3=1.3。取風(fēng)級(jí)11下的風(fēng)速為30m/s，風(fēng)級(jí)13下的風(fēng)速為39m/

4、s，風(fēng)級(jí)15下的風(fēng)速為48m/s；風(fēng)級(jí)17下的風(fēng)速為58m/s。計(jì)算得罐體每延米的荷載強(qiáng)度見(jiàn)表2。表2 風(fēng)級(jí)與風(fēng)荷載強(qiáng)度大小風(fēng)級(jí)風(fēng)速m/sW0 paK1K2k3W pa迎風(fēng)面積m2延米風(fēng)載強(qiáng)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(qiáng)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(guò)程采用有限元數(shù)值計(jì)算方法。根據(jù)工程的實(shí)際使用情況及受力最不利原則，驗(yàn)算時(shí)重點(diǎn)對(duì)罐體滿載的情況進(jìn)行了立柱的

5、強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)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(jiàn)圖1及圖2。3.1 風(fēng)級(jí)11結(jié)構(gòu)性能抗風(fēng)驗(yàn)算風(fēng)級(jí)11時(shí)的風(fēng)荷載和罐體滿載時(shí)的恒荷載（包括自重）組合進(jìn)行立柱的強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。同時(shí)對(duì)風(fēng)級(jí)11時(shí)的風(fēng)荷載和罐體空載時(shí)的恒荷載組合進(jìn)行了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性驗(yàn)算。（1）罐體滿載狀態(tài)下立柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算在11級(jí)風(fēng)荷載作用下，按照風(fēng)荷載+罐體滿載時(shí)計(jì)算得到的立柱應(yīng)力見(jiàn)圖3。圖3 風(fēng)荷載+罐體滿載時(shí)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(jì)規(guī)范中3.2.1條的規(guī)定，Q235鋼的彎曲基本

6、容許應(yīng)力為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168 MPa，故在風(fēng)級(jí)11+罐體滿載狀態(tài)下，立柱的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。從桿件的局部穩(wěn)定性來(lái)看：取鋼管立柱L=4.5m檢算。鋼管回轉(zhuǎn)半徑r=/4=113.9mm長(zhǎng)細(xì)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(yīng)力為0.88x168=148 Mpa, 立柱的實(shí)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(yàn)算 為了進(jìn)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(bào)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(jiàn)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(jiàn)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(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

8、檢算空罐情況下基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定情況。圖5 單個(gè)罐體整體穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)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(zhǎng)m；11級(jí)風(fēng)荷載作用下相關(guān)的計(jì)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：?jiǎn)螌挶粍?dòng)土壓力kN/m；：朗肯被動(dòng)土壓力系數(shù)，=3；：基礎(chǔ)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(dòng)土壓力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；=252.3717kN/m式中： ：?jiǎn)螌挶粍?dòng)土壓力kN/m；=701.0326 kN·m 式中： ：被動(dòng)土壓力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；=23*a*b*H=1207.5kN式中： G：基礎(chǔ)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(dòng)力矩；=F*H=49.875*2.1=119.7kN·m 式中： M3：風(fēng)荷載水平力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩kN·m； =3647.549 kN·m因

10、為：/M4.26614所以：罐體不會(huì)發(fā)生傾覆破壞2）基底抗滑移檢算=0.45*1305.82/57=10.30911 (實(shí)際此時(shí)水平力不足以引起基礎(chǔ)滑動(dòng)，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(chǔ)備)式中：基底滑動(dòng)安全系數(shù)，可根據(jù)建筑物等級(jí)，查有關(guān)設(shè)計(jì)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(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(jí)風(fēng)荷載+罐體空載作用下安全可靠。3.2 風(fēng)級(jí)13結(jié)構(gòu)性能抗風(fēng)驗(yàn)算風(fēng)級(jí)13時(shí)的風(fēng)荷載和罐體滿載時(shí)的恒荷載（包括自重）組合進(jìn)行立柱的強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。同時(shí)對(duì)風(fēng)級(jí)13時(shí)的

11、風(fēng)荷載和罐體空載時(shí)的恒荷載組合進(jìn)行了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性驗(yàn)算。（1）罐體滿載狀態(tài)下立柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算在13級(jí)風(fēng)荷載作用下，按照風(fēng)荷載+罐體滿載時(shí)計(jì)算得到的立柱應(yīng)力見(jiàn)圖6。圖6 風(fēng)荷載+罐體滿載時(shí)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(jí)13+罐體滿載狀態(tài)下，立柱的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。從桿件的局部穩(wěn)定性來(lái)看：立柱的穩(wěn)定容許應(yīng)力為0.88x168=148 Mpa, 立柱的實(shí)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(yàn)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，

12、本報(bào)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(jiàn)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 kN M=1445.4kN·m F=96.36kN1)抗傾覆驗(yàn)算：檢算圖示及原理同11級(jí)風(fēng)荷載作用下，經(jīng)計(jì)算分析可得：/M=3564.893/1445.4=2.466372故

13、13級(jí)風(fēng)荷載作用下，空罐體不會(huì)發(fā)生傾覆破壞。2）抗滑移驗(yàn)算=0.45*1305.82/96.36=6.098163計(jì)算結(jié)果表明， 水平力不足以引起基礎(chǔ)滑動(dòng)，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(chǔ)備。3.3 風(fēng)級(jí)15結(jié)構(gòu)性能抗風(fēng)驗(yàn)算風(fēng)級(jí)15時(shí)的風(fēng)荷載和罐體滿載時(shí)的恒荷載（包括自重）組合進(jìn)行立柱的強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。同時(shí)對(duì)風(fēng)級(jí)15時(shí)的風(fēng)荷載和罐體空載時(shí)的恒荷載組合進(jìn)行了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性驗(yàn)算。（1）罐體滿載狀態(tài)下立柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算在15級(jí)風(fēng)荷載作用下，按照風(fēng)荷載+罐體滿載時(shí)計(jì)算得到的立柱應(yīng)力見(jiàn)圖7。圖7 風(fēng)荷載+罐體滿載時(shí)立柱應(yīng)力圖（單位：kpa）從圖7可知，在立柱底截

14、面的應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力為141Mpa< 168 MPa，故在風(fēng)級(jí)15+罐體滿載狀態(tài)下，立柱的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。從桿件的局部穩(wěn)定性來(lái)看：立柱的穩(wěn)定容許應(yīng)力為0.88x168=148 Mpa, 立柱的實(shí)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(yàn)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(bào)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(jiàn)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(jiàn)圖8。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 kN M=2190.6kN·m F=146.04 kN1)抗傾覆驗(yàn)算：檢算圖示及原理同11級(jí)風(fēng)荷載作用下，經(jīng)計(jì)算分析可得：/M=3460.565/2190.6=1.579734故15級(jí)風(fēng)荷載作用下，空罐體不會(huì)發(fā)生傾覆破壞。2）抗滑移驗(yàn)算=0.45*1305.82/146.04= 4.023685計(jì)算結(jié)果表明，水平力不足以引起基礎(chǔ)滑動(dòng)，基礎(chǔ)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(chǔ)備。3.4 風(fēng)級(jí)17結(jié)構(gòu)性能抗風(fēng)驗(yàn)算風(fēng)級(jí)17時(shí)的風(fēng)荷載和罐體滿載時(shí)的恒荷載（包括自重）組合進(jìn)行立柱的強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。同時(shí)對(duì)風(fēng)級(jí)17時(shí)的風(fēng)荷載和罐體空載時(shí)的恒荷載組合進(jìn)行了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性驗(yàn)算。（1）罐體滿載狀態(tài)下立柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算在17級(jí)風(fēng)荷載作用下，按照風(fēng)荷載+罐體滿載時(shí)計(jì)算得到的立柱應(yīng)力見(jiàn)圖9。圖9 風(fēng)荷載+罐體滿載時(shí)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(jí)17+罐體滿載狀態(tài)下，立柱的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。從桿件的局部穩(wěn)定性來(lái)看：立柱的穩(wěn)定容許應(yīng)力為0.88x168=148 M

17、pa, 立柱的實(shí)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(yàn)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(bào)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(jiàn)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=98.32kN M= 319

18、8.6kN·m F= 213.24kN1)抗傾覆驗(yàn)算：檢算圖示及原理同11級(jí)風(fēng)荷載作用下，經(jīng)計(jì)算分析可得：/M= 3319.445/3198.6=1.037781故17級(jí)風(fēng)荷載作用下，空罐體不會(huì)發(fā)生傾覆破壞。2）抗滑移驗(yàn)算=0.45*1305.82 /213.24= 2.75567計(jì)算結(jié)果表明，水平力不足以引起基礎(chǔ)滑動(dòng)，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(chǔ)備。 四、抗風(fēng)加固措施及其加固后承載能力檢算通過(guò)前面的計(jì)算分析可知，在風(fēng)級(jí)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(duì)加固后的結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)

19、行評(píng)價(jià)。4.1風(fēng)級(jí)17時(shí)罐體抗風(fēng)加固計(jì)算（1）罐體滿載狀態(tài)下立柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)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(shí)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(jiàn)圖10。加固后的立柱應(yīng)力見(jiàn)圖11. 圖10 加固后有限元模型圖 圖11 風(fēng)荷載+罐體空載時(shí)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(jí)17+罐體滿載狀態(tài)下，立柱的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。從桿件的局部穩(wěn)定性來(lái)看：立柱的穩(wěn)定容許應(yīng)力為0.88x168=148 Mpa, 立柱的實(shí)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。此時(shí)錨索的拉力為69 kN(45度傾角)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為55MPa (45度傾角)。因此錨索的應(yīng)力也滿足其強(qiáng)度要求。（2