水泥罐抗风验算计算书Word下载.docx
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24.5-28.4
11
28.5-32.6
12
32.7-36.9
13
37.0-41.4
14
41.5-46.1
15
46.2-50.9
《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)
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;
—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
W0
pa
K1
K2
k3
W
迎风面积m2
延米风载强度kN/m
30
562.5
1.3
1
950.6
5
4.75
39
1606.6
8.03
48
1440.0
2433.6
12.17
17
58
2102.5
3553.2
17.77
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。
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=113.9mm
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
20.72
2
35.76
3
60.15
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=98.32kNM=855kN·
mc=30kPaφ=30°
γ(土体容重)=19kN/m3
a=5.00mb=5.00mH=2.1mF=57kN
1)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;
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
=701.0326kN·
=23*a*b*H=1207.5kN
G:
基础重力;
=1305.82kN
总竖向力;
=3264.55kN·
竖向力产生的转动力矩;
=F*H=49.875*2.1=119.7kN·
M3:
风荷载水平力产生的转动力矩kN·
=3647.549kN·
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)
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;
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。
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。
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:
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。
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。
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
12.26
21.16
35.63
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。
N=98.32kNM=1445.4kN·
mF=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=2.466372
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。
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:
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。
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。
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
8.07
13.9
23.44
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8。
图8第一阶失稳模态
N=98.32kNM=2190.6kN·
mF=146.04kN
/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。
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