高速公路工程水泥罐抗风验算计算书

1、x 高速公路 x 至 x 段三标一分部 (K532+150K565+000段)水泥罐抗风验算计算书x 建设股份有限公司水泥罐抗风验算计算书一、 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

2、基本规范中的441 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。表风级1风风速 m/s级风级风风速 m/s速换风级算表风速 m/s1024.5-28.41128.5-32.61232.7-36.91337.0-41.41441.5-46.11546.2-50.9公路桥涵设计基本规范中的441 条规定，作用于结构物上的风荷载强度可按下式计算：W = K 1K2 K3 W 0（ 1 ）式中 W 风荷载强度（ Pa ）;W 。一基本风压值（ Pa）， W 。2，系按平坦空

3、旷地面，离地面20m1.6高，频率 1/100的 10min平均最大风速（ m/s ）计算确定；一般情况 W 。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米用 ;Ki 风载体形系数，对桥墩可参照铁路桥涵设计基本规范中表441-1 , 其它构件为1.3 ；K2 风压高度变化系数，可参照铁路桥涵设计基本规范中表441-2 , 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；K3 地形、地理条件系数，可参照铁路桥涵设计基本规范中表441-3 。针对本工程场地实际特点，取k1=1.3, k2=1.0，k3=1

4、.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 。风级风速W0K1K2k3迎风面延米风载强度表 2 风级与风荷载强度大小m/spaW pa积 m 2kN/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

5、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 120x40 x4.5mm。有限元模型见图 1 及图 2 。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。MIDA5/CivilPOST-PROCE

6、SSOR BEAM STRESS甩机帛大画5.670 11 *+0044.14474eDD42 .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! 鞘战+12 爱罠MAT11MEN i a 丈件！二工区 2# 大播kN/m*2目期：站 foi/SCiciXra,4?3图 3 风荷载+ 罐体满载时立柱应力图 (单位： kpa)Zi 0,25从图 3 可知，在立柱底截面的应力最大，最大

7、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= 330 2 314 2 /4=113.9mm长细比 QL/r=4500/113.9=40查轴心受压稳定系数表，忙 0.88立柱的稳定容许应力为 0.88x168=148 Mpa,立

8、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4BUCK LIN? MODEfe=2.

9、072E+001IVIoda 1MAJi: 18MIN I4丈杵；二工区 2# 大摄单册日期 1 05/01/2010Z; 0,259图 4 第一阶失稳模态图 1整体有限元模型(3) 罐体空载状态下基础的稳定性检算图 2 局部放大模型根据罐体受力分析，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 级风何载作用下相关

10、的计算参数：N=98.32k3Na=5.00mM=855k N - m c=30kPa忙 30 °丫(土体容重 )=19kN/mb=5.00mH=2.1m F=57 kN1 )整体抗倾覆检算1 2EpH K p 2cK K( p =19*2.1*2.1*3/2+2*30*2.1*.3 =343.923kN/m式中： Ep:单宽被动土压力kN/m;Kp:朗肯被动土压力系数， K p= tg 2(45 ) =3；H:基础埋深；c : 土体粘聚力 kPa ;:土体容重；M 1H=E pb =343.923*2.1*5/3=1203.732k N?m式中M 1 :被动土压力 Ep 所产生的转

11、动力矩；Ep' = 】Y( H )2Kp +2c23H jK p =252.3717kN/m3式中Ep :单宽被动土压力kN/m；'1 HM 2 = Epb =701.0326 kN- m式中M 2 :被动土压力 Ep 所产生的转动力矩；G = * =23*a*b*H=1207.5kN式中G :基础重力；GG N=1305.82 kN式中G':总竖向力；aM GN = G - =3264.55kN?m2式中： M GN： 竖向力产生的转动力矩 ;M 3=F*H=49.875*2.1=119.7k N - m式中： M3 : 风荷载水平力产生的转动力矩kN- m ；

12、9; MM GN -M 2 -M 3 =3647.549 kN ? m因为： v M /M M 4.266G&-M 2所以：罐体不会发生倾覆破坏2 ）基底抗滑移检算f *N一Fs=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： Fs :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1.2-1.4N :作用在基底的竖向力的总和，kN ；F ：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0.45综上所述，基础在 11 级风荷载 + 罐

13、体空载作用下安全可靠。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6 。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 。POST -PROCESSORBEAM 5TRE'5S6.06335S+0044,38!&42s+X42.7000e+X4 l,03157e+M4O.OOOOOe+XO-2.323SSe-H004-4,00070e-*-004-5.&

14、amp;7013e+OO4*7.3E556e+004 '9.032966-1-004-1.071D4e-K005-l.Z3e78a+X5CB; 櫥盘 +15 樹口MAX ; 11 MIN : E丈杵 i 二工区 2# 大蠶 施也 i kN/mA 3 日朗；OS/D1/2010层希方旬： -0.433AZ; Q2B9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，最大压应力为风级 13+ 罐体满载状态下，立柱的强度满足规范要求。124Mpa< 168 MPa,故在从杆件的局部稳定性来看：立柱的稳定容许应力为0.88x168=148 M

15、pa,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=98.32

16、 kNM=1445.4k N? 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 /Ml M 31564/8 G3/1445 24=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Fs 二彳； N =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

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 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 。MIDAS/Civil P6T -PRXE弟 QR 黒寸lnB巴桃呂叩BEAM STRESS6.894Z8aH-a044.990705+0043.087 12e-i-0041.183S4+004O.OOOOOe-i-OOO4.527200+0046.4307Se+0048.3345&a+0Cl41.02379e+0ClS1.21415e+0051.40451 +005CB; 曙 St+12姒诅MAK

18、; 12MIN : 4M ：二工区 2# 犬总 kN/mA2日期： 。引 (H/2CIK)X 1-0.367Z; 0.391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

19、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8.07 ,稳定性满足要求。一阶失稳模态见图8I ? I .Ul I - i_FJ VUII沁亡灶 IMG MODE临斤旃欣ft=3J072E+000M*de1MAX : ISMIN : ABan ； QE/01J2010农示”方囱X 1-0.433 YrO.837Zi 0.25S

20、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= 98.32 kNM=2190.6k N- mF=146.04 kN1) 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 /MM 346 M 565/2l9026=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l f *NFs =0.45*1305.82/146.04= 4.023685s 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 风级仃结构性能抗风验算(1 )罐体满载状态下

21、立柱的强度及稳定性验算8.07 ,稳定性满足要求。一阶失稳模态见图8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9MIDAS/CivilPOET-PROCE労 ORBEAM STRESS7.72&54e+0045.54821 e+0043.36999+0041.1915&e+004. e+000-3.1650&+004-7,S2174

22、a+004-,700066+004CB; jR+15蹑凤MAX: 12MIN: 4呈恤 kN/mA 2 BR!D5/01/2Q10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

23、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。（ 3 ）罐体空载状态下基础的稳定性检算N=98.32kNM= 3198.6k N? 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： 送 M /M M 33 Ml 445/3 M$ 6=1.037781故

24、 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l f *NFs=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 ? 40mm 的锚索（较大的直径增加了锚

25、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.模态特征值18.45216.53321.32站 D 辭!TCiHilPOST ? 甲 OCE55OR BEAM WTRE 空S& 駅星和 I)SE 吕陀睑 +004 斗 j674< e*C04盍 77 百噫TEO-OOOOQfi+OQO-l iL?%-ehOO4 -2.-9Jiei8e00斗 4S1633e*D04 -*.71<6Oe*DQ7JD5110fi*005-1 240?e -h005 - i .4307Se0050B= 厲麒亠 15 舉 E MAX s 10MIN ； 4立作：加固 片二HE2 ? 单枚： kN 叶 2 日贈； 0吕胆丄 尼 C1DZ： Q-D16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