水泥罐抗风验算计算书

'混凝土搅拌站罐体抗风验算计算书（二工区2#搅拌站大罐）兰州交通大学土木工程学院岩土与地下工程系2010.516 一、验算内容及验算依据受中铁21局兰新指挥部的委托，对兰新铁路第二双线（新疆段）风区的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：《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）及《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）。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10t，满载时料重300t。根据《兰新铁路新疆有限公司文件》（新铁安质201033号）提供的风级凤速换算表（见表1）及《铁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《兰新铁路新疆有限公司文件》（新铁安质201047号）附件中兰新铁路第二双线（新疆段）大风区工程分区说明，资料显示，中铁二十一局（7标）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：三十里风区：DK1656+000～DK1746+227长86.398km，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/s1024.5-28.41128.5-32.61232.7-36.91337.0-41.41441.5-46.11546.2-50.9《铁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）式中—风荷载强度（Pa）；—基本风压值（Pa），，系按平坦空旷地面，离地面20m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《铁路桥涵设计基本规范》中附录D“全国基本风压分布图”，并通过实地调查核实后采用；16 —风载体形系数，对桥墩可参照《铁路桥涵设计基本规范》中表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，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/sW0paK1K2k3Wpa迎风面积m2延米风载强度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φ330mm（壁厚8mm），立柱间横撑采用槽钢120x40x4.5mm。有限元模型见图1及图2。16 图1整体有限元模型图2局部放大模型3.1风级11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。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140MPa。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=168MPa。从分析结果上看，立柱底截面的最大应力数值均小于168MPa，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=113.9mm16 长细比λ=L/r=4500/113.9=40查轴心受压稳定系数表，φ=0.88立柱的稳定容许应力为0.88x168=148Mpa,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3。表3支撑构件的整体稳定性模态特征值120.72235.76360.15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16 （3）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；b：基础长m；11级风荷载作用下相关的计算参数：N=98.32kNM=855kN·mc=30kPaφ=30°γ（土体容重）=19kN/m3a=5.00mb=5.00mH=2.1mF=57kN1）整体抗倾覆检算=19*2.1*2.1*3/2+2*30*2.1*=343.923kN/m式中：：单宽被动土压力kN/m；：朗肯被动土压力系数，=3；：基础埋深；：土体粘聚力kPa；16 ：土体容重；=343.923*2.1*5/3=1203.732kN·m式中：：被动土压力所产生的转动力矩；=252.3717kN/m式中：：单宽被动土压力kN/m；=701.0326kN·m式中：：被动土压力所产生的转动力矩；=23*a*b*H=1207.5kN式中：G：基础重力；=1305.82kN式中：：总竖向力；=3264.55kN·m式中：：竖向力产生的转动力矩；=F*H=49.875*2.1=119.7kN·m式中：M3：风荷载水平力产生的转动力矩kN·m；=3647.549kN·m因为：/M≥4.26614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1.2-1.4：作用在基底的竖向力的总和，kN；16 ：作用于基底的水平力的总和，kN；：基础与地基土的摩擦系数，经查表取0.45综上所述，基础在11级风荷载+罐体空载作用下安全可靠。16 3.2风级13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。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<168MPa，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=148Mpa,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16 模态特征值112.26221.16335.63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N=98.32kNM=1445.4kN·mF=96.36kN1)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=2.466372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=6.098163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。3.3风级15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。16 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<168MPa，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=148Mpa,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18.07213.9323.44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16 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N=98.32kNM=2190.6kN·mF=146.04kN1)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=1.579734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=4.023685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17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。16 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<168MPa，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=148Mpa,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15.5429.56316.09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。16 （3）罐体空载状态下基础的稳定性检算N=98.32kNM=3198.6kN·mF=213.24kN1)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=1.037781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17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采用1根φ40mm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11.16 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<168MPa，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=148Mpa,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69kN(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7。表7支撑构件的整体稳定性模态特征值18.45216.53321.32从表7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8.45，稳定性满足要求。16 五、结论表9未选择几种工况的计算结果。表9计算结果汇总表计算风力等级立柱强度是否满足立柱局部稳定性是否满足支撑构件整体稳定性是否满足基础整体稳定性是否满足是否加固及措施加固后立柱强度是否满足加固后立柱局部稳定性是否满足加固后支撑构件整体稳定性是否满足加固后基础整体稳定性是否满足锚索的拉应力是否满足地锚是否满足要求11级风荷载工况一：风载+罐体满载是是是是否——————工况二：风载+罐体空载———是否——————13级风荷载工况一：风载+罐体满载是是是是否——————工况二：风载+罐体空载———是否——————15级风荷载工况一：风载+罐体满载是是是是否——————工况二：风载+罐体空载———是否——————17级风荷载工况一：风载+罐体满载是否是是是是是是是是是工况二：风载+罐体空载———是否——————16 从表9计算结果，可以看到：在11、13、15级风载作用下，结构整体是安全的；在17级风载作用下，满载时立柱稳定性不能满足要求，需要进行加固，加固后可满足要求。具体加固措施根据计算结果见附表：搅拌站抗风设计计算结果缆绳布置汇总表。16'