京新高速公路临河至白疙瘩段三标一分部（K532+150 ～K565+000 段）中国交通建设股份有限公司京新高速公路LBAMSG-3项目总承包管理部第一项目部二〇一五年四月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《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：W K1K 2K3W0 （1）式中W —风荷载强度（Pa）；12W0—基本风压值（Pa），W0 2，系按平坦空旷地面，离地面20m0 01.6高，频率1/100的10min平均最大风速（m/s）计算确定；一般情况W0可按《铁后采用；K1 —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；K 2 —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。
2三、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φ 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。
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= 3302 3142/4=113.9mm长细比λ=L/r=4500/113.9=40查轴心受压稳定系数表，φ=08.8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=98.32kN3 M=855k N· m c=30kPa φ=30°γ(土体容重) =19kN/m3a=5.00m b=5.00m H=2.1m F= 57 kN1)整体抗倾覆检算12E p H 2K p 2cH K p =19*2.1*2.1*3/2+2*30*2.1* 3 =343.923kN/m式中：E p：单宽被动土压力kN/m ；K p：朗肯被动土压力系数，K p tg2(45o2) =3；H：基础埋深；c：土体粘聚力kPa；：土体容重；M 1HE p b =343.923*2.1*5/3=1203.732k N·m p3式中M 1 ：被动土压力E p 所产生的转动力矩；E p' 1 (H )2K p 2c H K p=252.3717kN/m式中E p'：单宽被动土压力kN/m ；M2 E p' 1 H b =701.0326 kN·m2 p3 3式中M 2 ：被动土压力E p'所产生的转动力矩；G 1V =23*a*b*H=1207.5kN式中G：基础重力；G'G N =1305.82 kN式中G '：总竖向力；' ' aM GN' G'=3264.55k N· mGN2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；M M1 M GN' M2 M3 =3647.549 kN·m因为：M /M M≥14.2M66G1N4 M 2所以：罐体不会发生倾覆破坏2）基底抗滑移检算f ?NF s= =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：F s ：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。
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 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1 12.262 21.16 335.63kpa )图 6 风荷载 + 罐体满载时立柱应力图（单位：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 kN M=1445.4k N·m F=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 /M M=31564M.8G9N3/14M45.24=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F s= f ?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 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。
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1）罐体满载状态下立柱的强度及稳定性验算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 /M M =31460M .5G 6N 5/21M 90.26=1.579734故 15 级风荷载作用下，空罐体不会发生倾覆破坏。