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1、井架混凝土壳体结构设计计算书 2015 年 7 月1 / 15内蒙井架混凝土壳体结构设计计算书（理想模型）一、 工程概况该旋转壳体为一井架上部壳体，壳体底部标高 93.3m,底部直径 D=23.3m, 高度 H=7m，壳体为连续壳体，无开孔，模型如图 1。壳体顶部有一避雷针，避雷针底座半径 0.46m，计算时考虑避雷针自重 5kN 和避雷针受到的风荷载。结构设计使用年限 103.5 年。工程位于内蒙鄂尔多斯。（a）轴测图 （b）俯视图（c）正视图图 1 有限元模型二、 设计依据设计依据如下：建筑结构荷载规范（GB50009-2012） 建筑抗震设计规范（GB50011-2010） 混凝土结构设
2、计规范（GB50011-2010） 混凝土工程施工质量验收规范（GB50204-2011） 建筑工程抗震设防分类标准（GB50223-2008） 钢筋混凝土薄壳结构设计规程（JGJ22-2012） 井架混凝土壳体结构设计计算书 2015 年 7 月2 / 15三、 荷载工况及取值结构设计使用年限为 103.5 年，该地区 100 年基本风压 0.6kN/m2,基本雪压0.4kN/m2，考虑到结构为高耸建筑，设计计算时分别取 0.65kN/m2 和 0.45 kN/m2。1、结构自重 混凝土自重 25kN/m3 2、恒荷载 0.7 kN/m2（考虑 2cm 混凝土、膜及聚氨酯自重）3、内压荷载
3、0.6kN/m2内压荷载考虑充气膜泄气后气膜对混凝土的反作用力。4、活荷载 1.5kN/m21 个活荷载满载 1.5 kN/m2（考虑 3cm 厚混凝土差值、屋面雪荷载及屋面活荷载 0.3 kN/m2） ，4 个半跨活荷载 1.5 kN/m25、风荷载 (膜表面积 582 m2,投影面积 232m2)风荷载基本风压 0.65kN/m2，地面粗糙的类别 B 类，考虑 8 个不同的风向，共 8 个工况。风荷载计算： 0wzsk式中： kw风荷载标准值（kN/m 2)；z高度 z 处的风振系数；s风荷载体型系数；z风压高度变化系数；0w基本风压（kN/m 2)风压高度变化系数取值：井架混凝土壳体结构
4、设计计算书 2015 年 7 月3 / 15旋转壳体型系数取值：6、地震作用地震设防烈度 7 度，场地特征周期 0.45s， 地震影响系数取 0.12。7、特征值屈曲工况 特征值屈曲工况取：自重+恒荷载+ 活荷载（满跨） 。计算取前 6 阶模态。此外，不考虑温度作用，模态分析采用 Ritz 法。8、避雷针对应的荷载避雷针自重考虑 5kN。同时要考虑避雷针的风荷载作用，建模如图所示，避雷针风荷载作用采用整体计算，迎风面大小为 0.92m*5m，风荷载体型系数取1.0（根据建筑结构荷载规范8.3.1 第 37 项圆截面构筑物整体计算时的体型系数） ，风振系数取 1.8。自重 5kN 通过竖向节点荷
5、载施加，建模设置避雷针材料密度为 0，避免自重重复计算。考虑 8 个不同的荷载工况。井架混凝土壳体结构设计计算书 2015 年 7 月4 / 15四、模型建立边界条件 U1=3000kN/m, U2 =3000kN/m，U 3= 1e14kN/m。采用 C40 混凝土，抗拉强度设计值 1.71N/mm2，抗压强度设计值 16.7 N/mm2，弹性模量E=32500MPa。泊松比 =0.2，混凝土自重 25kN/m3。钢筋采用HRB400，fy=360 N/mm2。壳体厚度 150mm。壳体单元尺寸为 0.5m*0.5m。模型未考虑基础环梁。五、计算结果3.1 反力表 1 各工况反力Global
6、FX GlobalFY GlobalFZ GlobalMX GlobalMY GlobalMZ荷载工况KN KN KN KN-m KN-m KN-mDEAD 0.00 0.00 2175.55 0.00 0.00 0.00DEADLoad 0.00 0.00 410.00 0.00 0.00 0.00InnerP 0.00 0.00 255.79 0.00 0.00 0.00LiveA 0.00 0.00 639.46 0.00 0.00 0.00LiveL 0.00 0.00 319.73 0.00 1580.33 0.00LiveD 0.00 0.00 319.73 -1580.33 0.
7、00 0.00LiveR 0.00 0.00 319.73 0.00 -1580.33 0.00LiveU 0.00 0.00 319.73 1580.33 0.00 0.00Wind0 -190.20 0.00 -1025.85 0.00 -16709.07 -190.20Wind45 -121.80 -134.49 -1025.85 11815.10 -10509.37 -121.80Wind90 0.00 -190.20 -1025.85 16709.07 0.00 0.00Wind135 121.80 -134.49 -1025.85 11815.10 10509.37 121.80W
8、ind180 190.20 0.00 -1025.85 0.00 16709.07 190.20Wind225 121.80 134.49 -1025.85 -11815.10 10509.37 121.80Wind270 0.00 190.20 -1025.85 -16709.07 0.00 0.00Wind325 -121.80 134.49 -1025.85 -11815.10 -10509.37 -121.80EQHor 346.24 346.24 0.00 33390.65 33390.65 346.243.2 变形 理想的混凝土旋转壳体刚度较大，在最不利荷载组合下结构的变形如图 2
9、所示,最大的 x 向及 y 向位移为 2mm，z 向位移为 1mm。最大变形为 3mm.井架混凝土壳体结构设计计算书 2015 年 7 月5 / 15图 2 最不利荷载组合下的变形3.3 内力结构的内力云图如图 3 所示。结构的弯矩非常小，环向弯矩 M11 最大值为3.082 kNm/m，发生在避雷针支座底部；径向弯矩最大值为 9.338kNm/m，且弯矩较大值靠近底部支座处，远离底部支座的壳体弯矩基本为零。同时，可以看到在避雷针底座位置，结构的弯矩相对较大，从而影响到结构的配筋。结构的环向内力在高度为 01m 处壳体表现为拉力，且拉力较大，高度大于 1m 的壳体的环向拉力减小，在高度大于 2
10、m 壳体环向力较小且表现为压力，高度大于2m 壳体基本以受压为主，且弯矩很小。F11 （最大值 511kN/m） F22 （最大值-82.68kN/m ）井架混凝土壳体结构设计计算书 2015 年 7 月6 / 15M11 （最大值 3.082kNm/m） M22 （最大值 9.338kNm/m）图 3 结构的内力云图3.4 特征值屈曲特征值屈曲分析得到模型理想状态下弹性屈曲承载力，设置屈曲工况为：自重+ 恒荷载+ 活荷载（满跨） 。6 阶模态的屈曲因子如表 2，其中最小屈曲因子为 400.35，说明结构的弹性屈曲承载力很高。图 4 为不同模态下的屈曲变形，从图中可以看到，模型屈曲变形主要发生
11、在高度为 12m 的壳体，因此，在设计时，即便其内力较小，但应在高度为 12m 的壳体进行配筋加强。表 2 特征值屈曲因子模态 1 2 3 4 5 6屈曲因子 400.35 400.35 419.7 423.2 423.2 466.1（a）第 1 阶模态（屈曲因子 400.35） （b）第 2 阶模态（屈曲因子 400.35）井架混凝土壳体结构设计计算书 2015 年 7 月7 / 15（c）第 3 阶模态（屈曲因子 419.7） （d）第 4 阶模态（屈曲因子 423.2）（e）第 5 阶模态（屈曲因子 423.2） （f）第 6 阶模态（屈曲因子 466.1）图 4 特征值屈曲模态3.5
12、平面外剪力验算混凝土结构设计规范（GB50011-2010） 第 6.3.3 条，对于不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件，其斜截面受剪承载力应满足： 01/40.78htVfb当受到平面外剪力时，对 150mm 厚壳体，保护层厚度为35mm,b=1000mm，h 0=150-35=115mm，则：1/41/40088,h（ 取 ）计算得到的最大平面外剪力为 18.89kN/m137.7kN/m，满足要求！.7.*.7*5137./uhtVfbkNm井架混凝土壳体结构设计计算书 2015 年 7 月8 / 153.6 配筋计算为了方便配筋及计算，我们对整个壳体进行分区。如图 5 所示，从下往
13、上同一高度为一层网格，依次命名为 Plate49-Plate72。每层网格弧长为 0.4923m。图 5 分区示意图配筋计算采用矩形截面偏心拉压公式进行计算。混凝土壳体采用双层双向配筋，采用 C40 混凝土，抗拉强度设计值 1.71N/mm2，抗压强度设计值 16.7 N/mm2，钢筋采用 HRB400，fy=360 N/mm2，壳体厚度 150mm，钢筋保护层厚度取 35mm。受拉钢筋绑扎接头不小于 50d。计算结果及配筋如下：Plate49 （弧长 500mm）环向配筋12100 ，径向配筋 8100.表 3 Plate49 内力及配筋计算F11 F22 M11 M22 环向配筋 径向配筋
14、Plate49KN/m KN/m KN-m/m KN-m/m （mm 2/m） （ mm2/m）maxF11 511.10 -7.88 0.49 0.00 726.90 1.88minF11 35.05 -82.66 0.08 0.28 51.62 1.88maxF22 511.10 -7.86 0.49 0.00 726.93 1.88minF22 37.38 -82.69 0.11 0.36 55.64 1.88maxF12 287.75 -13.70 1.73 6.43 459.80 220.01minF12 35.13 -82.64 0.08 0.27 51.67 1.88maxM11
15、 287.74 -13.71 1.73 6.43 459.84 220.03minM11 46.09 -45.23 0.04 -0.03 65.33 1.88maxM22 287.74 -13.71 1.73 6.43 459.84 220.03minM22 51.28 -45.24 0.04 -0.03 72.65 1.88maxM12 511.09 -7.90 0.49 0.00 726.83 1.88minM12 46.01 -45.20 0.04 -0.03 65.23 1.88maxV13 287.74 -13.71 1.73 6.43 459.81 220.01minV13 35.
16、13 -82.64 0.08 0.27 51.67 1.88井架混凝土壳体结构设计计算书 2015 年 7 月9 / 15maxV23 511.09 -7.90 0.49 0.00 726.83 1.88minV23 48.86 -45.22 0.04 -0.03 69.34 1.88726.93 220.03实际配筋12100（1130.4）8100（502.4 ）Plate50 （弧长 500-1000mm）环向配筋10125 ，径向配筋 8100.表 4 Plate50 内力及配筋计算F11 F22 M11 M22 环向配筋 径向配筋Plate50KN/m KN/m KN-m/m KN-m/m （ mm2/m） （ mm2/m）maxF11
