水泥罐抗风验算计算书

京新高速公路临河至白疙瘩段三标一分部京新高速公路临河至白疙瘩段三标一分部 K532 150 K565 000 段 段 水泥罐抗风验算计算书水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司中国交通建设股份有限公司 京新高速公路京新高速公路 LBAMSG 3LBAMSG 3 项目总承包管理部第一项目部项目总承包管理部第一项目部 二二 一五年四月一五年四月 水泥罐抗风验算计算书水泥罐抗风验算计算书 一 验算内容及验算依据一 验算内容及验算依据 为保证我项目水泥罐安全性对我分部拌合站筒仓的抗风性能进行了验算 主要从拌合站筒仓支撑构件的强度 稳定性及基础的倾覆性进行了验算 并提 出相应的抗风加固措施 验算依据为 公路桥涵设计通用规范 JTG D60 2004 及 公路桥梁 钢结构设计规范 二 风荷载大小的确定二 风荷载大小的确定 根据现场调研及相关工区提供的资料 检算时取罐体长度为 12m 支腿长 度为 9 0m 罐体直径为 5 0m 自重为 10 t 满载时料重 300 t 根据 公路桥涵设计基本规范 中的 4 4 1 条确定风荷载的大小 根据资料显示 我项目部施工范围内混凝土搅拌站在沿线大风区分区范围 风向 最大风速分别为主导风向 NW 最大风速 53m s 相关抗风的设计计算 以此为依据 表 1 风级风速换算表 风级风速 m s风级风速 m s风级风速 m s 1024 5 28 41128 5 32 61232 7 36 9 1337 0 41 41441 5 46 11546 2 50 9 公路桥涵设计基本规范 中的 4 4 1 条规定 作用于结构物上的风荷载 强度可按下式计算 1 0321 WKKKW 式中 风荷载强度 Pa W 基本风压值 Pa 系按平坦空旷地面 离地面 20m 0 W 2 0 6 1 1 W 高 频率 1 100 的 10min 平均最大风速 m s 计算确定 一般情况可按 0 W 铁路桥涵设计基本规范 中附录 D 全国基本风压分布图 并通过实地调 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 2 查核实后采用 风载体形系数 对桥墩可参照 铁路桥涵设计基本规范 中表 1 K 4 4 1 1 其它构件为 1 3 风压高度变化系数 可参照 铁路桥涵设计基本规范 中表 4 4 1 2 K 2 风压随离地面或常水位的高度而异 除特殊高墩个别计算外 为简化计算 桥梁工程中全桥均取轨顶高度处的风压值 地形 地理条件系数 可参照 铁路桥涵设计基本规范 中表 3 K 4 4 1 3 针对本工程场地实际特点 取 k1 1 3 k2 1 0 k3 1 3 取风级 11 下的 风速为 30m s 风级 13 下的风速为 39m s 风级 15 下的风速为 48m s 风级 17 下的风速为 58m s 计算得罐体每延米的荷载强度见表 2 表 2 风级与风荷载强度大小 风级 风速 m s W0 pa K1K2k3 W pa 迎风面 积 m2 延米风载强度 kN m 1130562 51 311 3950 654 75 1339950 61 311 31606 658 03 15481440 01 311 32433 6512 17 17582102 51 311 33553 2517 77 三 不同工况下立柱强度 稳定性及整体倾覆检算三 不同工况下立柱强度 稳定性及整体倾覆检算 为了考虑罐体支架的内力 检算过程采用有限元数值计算方法 根据工程 的实际使用情况及受力最不利原则 验算时重点对罐体满载的情况进行了立柱 的强度及稳定性验算 罐体立柱采用 330mm 壁厚 8mm 立柱间横撑采 用槽钢 120 x40 x4 5mm 有限元模型见图 1 及图 2 3 1 风级风级 11 结构性能抗风验算结构性能抗风验算 风级 11 时的风荷载和罐体满载时的恒荷载 包括自重 组合进行立柱的 强度 稳定性验算 同时对风级 11 时的风荷载和罐体空载时的恒荷载组合进行 了基础的稳定性验算 1 罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算 罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算 在 11 级风荷载作用下 按照风荷载 罐体满载时计算得到的立柱应力见图 3 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 3 图 3 风荷载 罐体满载时立柱应力图 单位 kpa 从图 3 可知 在立柱底截面的应力最大 最大压应力为 111MPa 铁路 桥梁钢结构设计规范 中 3 2 1 条的规定 Q235 钢的弯曲基本容许应力为 140 MPa 在主力 风力组合下 容许应力提高系数为 1 2 倍 所以提高后的弯曲容 许应力为 140 1 2 168 MPa 从分析结果上看 立柱底截面的最大应力数值均 小于 168 MPa 故在风级 11 罐体满载状态下 立柱的强度满足规范要求 从杆件的局部稳定性来看 取钢管立柱 L 4 5m 检算 钢管回转半径 r 4 113 9mm 22 314330 长细比 L r 4500 113 9 40 查轴心受压稳定系数表 0 88 立柱的稳定容许应力为 0 88x168 148 Mpa 立柱的实际应力小于立柱的稳 定容许应力 所以立柱的稳定性满足规范要求 2 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性验算 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性验算 为了进一步研究罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性 本报告采用有 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 4 限元软件进行了屈曲特征值分析 输入自重 不变 和风荷载 可变 后进行 屈曲分析 分析结果输出的特征值变成屈曲荷载系数 屈曲荷载系数乘以风荷 载 可变 加上自重等于屈曲荷载值 分析结果见表 3 表 3 支撑构件的整体稳定性 模态特征值 120 72 235 76 360 15 从表 3 可知 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性屈曲荷载系数最小为 20 72 满足稳定性要求 第一阶失稳模态见图 4 图 4 第一阶失稳模态 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 5 图 1 整体有限元模型 图 2 局部放大模型 3 罐体空载状态下基础的稳定性检算 罐体空载状态下基础的稳定性检算 根据罐体受力分析 在空罐情况下较满灌情况下 地基土体发生剪切破坏 发生整体倾覆 故只检算空罐情况下基础的整体稳定情况 图 5 单个罐体整体稳定性计算简图 上图中 N 罐体竖向力kN F 风荷载产生的水平力kN G 基础重力kN M 风荷载产生的弯矩kN m H 基础高m a 基础宽m 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 6 b 基础长m 11 级风荷载作用下相关的计算参数 N 98 32kN M 855kN m c 30kPa 30 土体容重 19kN m3 a 5 00m b 5 00m H 2 1m F 57 kN 1 整体抗倾覆检算 19 2 1 2 1 3 2 2 30 2 1 343 923kN m 2 p 1 E2 2 pp H KcHK 3 式中 单宽被动土压力kN m p E 朗肯被动土压力系数 3 p K 2 45 2 p Ktg 基础埋深 H 土体粘聚力kPa c 土体容重 343 923 2 1 5 3 1203 732kN m 1 3 p H MEb 式中 被动土压力所产生的转动力矩 1 M p E 252 3717kN m 2 p 1 E 2 233 pp HH KcK 式中 单宽被动土压力kN m p E 701 0326 kN m 2 1 33 p H MEb 式中 被动土压力所产生的转动力矩 2 M p E 23 a b H 1207 5kN 1 GV 式中 G 基础重力 1305 82 kN GGN 式中 总竖向力 G 3264 55kN m 2 GN a MG 式中 竖向力产生的转动力矩 GN M F H 49 875 2 1 119 7kN m 3 M 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 7 式中 M3 风荷载水平力产生的转动力矩kN m 3647 549 kN m 123GN MMMMM 因为 M 4 26614 12GN MMMM 所以 罐体不会发生倾覆破坏 2 基底抗滑移检算 0 45 1305 82 57 10 30911 实际此时水平力不足以引起基础滑动 基础 s fN F F 侧面土体的抵抗作用尚未发挥 故抗滑稳定性满足要求 有比较大的安全储备 式中 基底滑动安全系数 可根据建筑物等级 查有关设计规范 一般1 2 s F 1 4 作用在基底的竖向力的总和 kN N 作用于基底的水平力的总和 kN F 基础与地基土的摩擦系数 经查表取0 45f 综上所述 基础在 11 级风荷载 罐体空载作用下安全可靠 3 2 风级风级 13 结构性能抗风验算结构性能抗风验算 风级 13 时的风荷载和罐体满载时的恒荷载 包括自重 组合进行立柱的 强度 稳定性验算 同时对风级 13 时的风荷载和罐体空载时的恒荷载组合进行 了基础的稳定性验算 1 罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算 罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算 在 13 级风荷载作用下 按照风荷载 罐体满载时计算得到的立柱应力见图 6 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 8 图 6 风荷载 罐体满载时立柱应力图 单位 kpa 从图 6 可知 在立柱底截面的应力最大 最大压应力为 124Mpa 168 MPa 故在风级 13 罐体满载状态下 立柱的强度满足规范要求 从杆件的局部稳定性来看 立柱的稳定容许应力为 0 88x168 148 Mpa 立 柱的实际应力小于立柱的稳定容许应力 所以立柱的稳定性满足规范要求 2 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性验算 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性验算 为了进一步研究罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性 本报告采用有 限元软件进行了屈曲特征值分析 输入自重 不变 和风荷载 可变 后进行 屈曲分析 分析结果输出的特征值变成屈曲荷载系数 屈曲荷载系数乘以风荷 载 可变 加上自重等于屈曲荷载值 分析结果见表 4 表 4 支撑构件的整体稳定性 模态特征值 112 26 221 16 335 63 从表 4 可知 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性屈曲荷载系数最小为 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 9 12 26 满足稳定性要求 3 罐体空载状态下基础的稳定性检算 罐体空载状态下基础的稳定性检算 N 98 32 kN M 1445 4kN m F 96 36kN 1 抗倾覆验算 检算图示及原理同 11 级风荷载作用下 经计算分析可得 M 3564 893 1445 4 2 12GN MMMM 故 13 级风荷载作用下 空罐体不会发生倾覆破坏 2 抗滑移验算 0 45 1305 82 96 36 6 计算结果表明 水平力不足以引起基础滑动 基 s fN F F 础侧面土体的抵抗作用尚未发挥 故抗滑稳定性满足要求 有比较大的安全储 备 3 3 风级风级 15 结构性能抗风验算结构性能抗风验算 风级 15 时的风荷载和罐体满载时的恒荷载 包括自重 组合进行立柱的 强度 稳定性验算 同时对风级 15 时的风荷载和罐体空载时的恒荷载组合进行 了基础的稳定性验算 1 罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算 罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算 在 15 级风荷载作用下 按照风荷载 罐体满载时计算得到的立柱应力见图 7 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 10 图 7 风荷载 罐体满载时立柱应力图 单位 kpa 从图 7 可知 在立柱底截面的应力最大 最大压应力为 141Mpa 168 MPa 故在风级 15 罐体满载状态下 立柱的强度满足规范要求 从杆件的局部稳定性来看 立柱的稳定容许应力为 0 88x168 148 Mpa 立 柱的实际应力略小于立柱的稳定容许应力 所以立柱的稳定性基本满足规范要 求 2 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性验算 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性验算 为了进一步研究罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性 本报告采用有 限元软件进行了屈曲特征值分析 输入自重 不变 和风荷载 可变 后进行 屈曲分析 分析结果输出的特征值变成屈曲荷载系数 屈曲荷载系数乘以风荷 载 可变 加上自重等于屈曲荷载值 分析结果见表 5 表 5 支撑构件的整体稳定性 模态特征值 18 07 213 9 323 44 从表 5 可知 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性屈曲荷载系数最小为 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 11 8 07 稳定性满足要求 一阶失稳模态见图 8 图 8 第一阶失稳模态 3 罐体空载状态下基础的稳定性检算 罐体空载状态下基础的稳定性检算 N 98 32 kN M 2190 6kN m F 146 04 kN 1 抗倾覆验算 检算图示及原理同 11 级风荷载作用下 经计算分析可得 M 3460 565 2190 6 1 12GN MMMM 故 15 级风荷载作用下 空罐体不会发生倾覆破坏 2 抗滑移验算 0 45 1305 82 146 04 4 s fN F F 计算结果表明 水平力不足以引起基础滑动 基础侧面土体的抵抗作用尚 未发挥 故抗滑稳定性满足要求 有比较大的安全储备 3 4 风级风级 17 结构性能抗风验算结构性能抗风验算 风级 17 时的风荷载和罐体满载时的恒荷载 包括自重 组合进行立柱的 强度 稳定性验算 同时对风级 17 时的风荷载和罐体空载时的恒荷载组合进行 了基础的稳定性验算 1 罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算 罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 12 在 17 级风荷载作用下 按照风荷载 罐体满载时计算得到的立柱应力见图 9 图 9 风荷载 罐体满载时立柱应力图 单位 kpa 从图 9 可知 在立柱底截面的应力最大 最大压应力为 162Mpa 168 MPa 故在风级 17 罐体满载状态下 立柱的强度满足规范要求 从杆件的局部稳定性来看 立柱的稳定容许应力为 0 88x168 148 Mpa 立 柱的实际应力大于立柱的稳定容许应力 所以立柱的稳定性不满足规范要求 2 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性验算 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性验算 为了进一步研究罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性 本报告采用有 限元软件进行了屈曲特征值分析 输入自重 不变 和风荷载 可变 后进行 屈曲分析 分析结果输出的特征值变成屈曲荷载系数 屈曲荷载系数乘以风荷 载 可变 加上自重等于屈曲荷载值 分析结果见表 6 表 6 支撑构件的整体稳定性 模态特征值 15 54 京新高速公路临白三标一分部 水泥罐抗风验算计算书 中国交通建设股份有限公司 13 29 56 316 09 从表 6 可知 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性屈曲荷载系数最小为 5 54 稳定性满足要求 3 罐体空载状态下基础的稳定性检算 罐体空载状态下基础的稳定性检算 N 98 32kN M 3198 6kN m F 213 24kN 1 抗倾覆验算 检算图示及原理同 11 级风荷载作用下 经计算分析可得 M 3319 445 3198 6 1 12GN MMMM 故 17 级风荷载作用下 空罐体不会发生倾覆破坏 2 抗滑移验算 0 45 1305 82 213 24 2 75567 s fN F F 计算结果表明 水平力不足以引起基础滑动 基础侧面土体的抵抗作用尚未发 挥 故抗滑稳定性满足要求 有比较大的安全储备 四 抗风加固措施及其加固后承载能力检算四 抗风加固措施及其加固后承载能力检算 通过前面的计算分析可知 在风级 17 下立柱的局部稳定性均不满足规范 要求 因此必须采取相应的抗风加固措施 以提高结构的抗风承载能力 并对 加固后的结构承载能力进行评价 4 1 风级风级 17 时罐体抗风加固计算时罐体抗风加固计算 1 罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算 罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算 采用 1 根 40mm 的锚索 较大的直径增加了锚索的抗拉刚度 有利于增 加风荷载作用时锚索的受力 减小立柱的受力 一端拉住罐体 另一端固定 于钢筋混凝土的地锚上 其中两根锚索与地面倾角为 45 度 加固后的有限元模 型见图 10 加固后的立柱应力见图 11 图 10 加固后有限元模型图 图 11 风荷载 罐体空载时立柱应力图 从图 10 可知 在立柱底截面的应力最大 最大压应力为 143Mpa 168 MPa 故加固后在风级 17 罐体满载状态下 立柱的强度满足规范要求 从杆件的局部稳定性来看 立柱的稳定容许应力为 0 88x168 148 Mpa 立 柱的实际应力小于立柱的稳定容许应力 所以立柱的稳定性满足规范要求 此时锚索的拉力为 69 kN 45 度倾角 对应的应力为 55MPa 45 度倾角 因此锚索的应力也满足其强度要求 2 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性验算 罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性验算 为了进一步研究罐体满载状态下支撑构件的整体稳定性 本报告采用有 限元软件进行了屈曲特征值分析 输入自重 不变 和风荷载 可变 后进行 屈曲分析 分析结果输出的特征值变成屈曲荷载系