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1、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2010.5一、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（TB 10002.1-2005）及铁路桥梁钢结构设计规范（TB 10002.2-2005）。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10 t，满载时料重300 t。
2、根据兰新铁路新疆有限公司文件（新铁安质2010 33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2010 47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+000DK1746+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/s1024.5-28.41128.5-32.6123
3、2.7-36.91337.0-41.41441.5-46.11546.2-50.9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；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
4、，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/sW0 paK1K2k3W pa迎风面积m2延米风载强度kN/m1130562.51.311.3950.654.751339950.61.311.31606.658.0315481440.01.311.32433.6
5、512.1717582102.51.311.33553.2517.77三、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。 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
6、。（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
7、径r=/4=113.9mm长细比=L/r=4500/113.9=40查轴心受压稳定系数表，=0.88 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
8、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（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kNm；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=98.32kN M=855kNm c=30kPa =30 （土体容重）=19kN/m3 a=5.00m
9、b=5.00m H=2.1m F=57 kN1）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=1203.732kNm 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；=701.0326 kNm 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；=1305.82 kN 式中： ：总竖向力；=3264.55kNm式中：竖向力产生
10、的转动力矩；=F*H=49.875*2.1=119.7kNm 式中： M3：风荷载水平力产生的转动力矩kNm； =3647.549 kNm因为：/M4.26614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；：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
11、全可靠。33.2 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 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
12、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 kN M=1445.4kNm F=96.36kN1
13、)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
14、，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8.07，稳定性
