肋式筒倉基礎(chǔ)受力的有限元分析計算

嚴(yán)昭君　馬祥喜

河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司（450002）

肋式筒倉基礎(chǔ)受力的有限元分析計算

嚴(yán)昭君馬祥喜

河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司（450002）

介紹了工業(yè)建筑中筒倉基礎(chǔ)設(shè)計過程中使用環(huán)肋式筒倉基礎(chǔ)的力學(xué)分析計算，通過有限元計算分析對比，給出了計算分析上的可行性及經(jīng)濟(jì)性。

筒倉；筒倉基礎(chǔ)；肋式筒倉基礎(chǔ)；有限元計算；筒倉基礎(chǔ)有限元分析

筒倉結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)中是一種常見的貯存結(jié)構(gòu)，被用來存貯原材料、燃料、糧食、工業(yè)成品或半成品等。筒倉的結(jié)構(gòu)形式有多種，一般是根據(jù)工藝流程、場地條件和施工情況等綜合比較確定。筒倉的基礎(chǔ)形式，則是根據(jù)地基條件、上部荷載和上部結(jié)構(gòu)形式等多項(xiàng)情況綜合考慮確定。目前，工程中使用較多的筒倉基礎(chǔ)形式有：環(huán)形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)、樁式基礎(chǔ)等。文章將結(jié)合工程實(shí)例，依據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過分析比較來簡要介紹肋式筒倉基礎(chǔ)的受力分析及設(shè)計、使用的可行性。

1　工程概況

某水泥廠圓形水泥庫，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，庫直徑18m，高度55.0m，倉內(nèi)儲料為水泥。倉壁厚度350mm，12.470m以下筒壁厚度600mm，地面上筒壁上開洞4500mm×5000mm，供散裝車輛通行使用。筒倉及基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級為C40，受力鋼筋采用HRB400級。

所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度（設(shè)計基本地震加速度為0.30g），設(shè)計地震分組為第一組，基本風(fēng)壓0.50kN/m2，地面粗糙度為B類。依據(jù)地勘報告及其他條件，基礎(chǔ)埋深為-5.500m。地基承載力特征值為fak=600kPa。初步計算分析，該筒倉地基不需處理，可以直接使用天然地基。

2　工程設(shè)計概況

依據(jù)《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》等國家現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，該筒倉采用環(huán)形基礎(chǔ)，以手算的方式進(jìn)行計算。

根據(jù)計算，環(huán)形基礎(chǔ)寬度9.80m，庫內(nèi)側(cè)懸挑長度B1=5.65m，外側(cè)懸挑長度B2=4.15m?；A(chǔ)厚度根部為H=3.00m，端部高度H1=1.5m。計算簡圖及設(shè)計結(jié)果如圖1。

此筒倉基礎(chǔ)形式簡單，能滿足受力要求。但是，因?yàn)槭芑A(chǔ)形式的影響，基礎(chǔ)整體厚度偏大，混凝土及鋼筋用量也大。設(shè)計時可以對基礎(chǔ)形式加以改進(jìn)。

圖1　筒倉簡圖及設(shè)計結(jié)果

3　有限元分析對比

為了減少筒倉基礎(chǔ)的鋼筋混凝土用量，設(shè)計上在基礎(chǔ)底面積不變的情況下，對環(huán)形基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式進(jìn)行改進(jìn)：沿圓周均勻設(shè)置18道徑向的鋼筋混凝土肋，肋厚度500mm，基礎(chǔ)底板厚度減小為800 mm。肋式基礎(chǔ)3D簡圖如圖2。

圖2　肋式基礎(chǔ)3D圖

以下將使用計算軟件STAADprov8i進(jìn)行筒倉整體有限元分析計算，根據(jù)筒倉的實(shí)際大小，將筒倉沿圓周環(huán)向劃分為36格，豎向劃分為高度約1m的板進(jìn)行建模。分別按照環(huán)形基礎(chǔ)和肋式基礎(chǔ)建模，通過分析對比環(huán)形基礎(chǔ)與肋式基礎(chǔ)各部位的受力，研究肋式基礎(chǔ)的可行性及經(jīng)濟(jì)性。

圖3～圖6是環(huán)形基礎(chǔ)的應(yīng)力圖，圖7～圖10是肋式基礎(chǔ)的應(yīng)力圖。

圖3　環(huán)形基礎(chǔ)板面最大應(yīng)力云圖

圖4　環(huán)形基礎(chǔ)板底最大應(yīng)力云圖

圖5　環(huán)形基礎(chǔ)板面最大應(yīng)力云圖

圖6　環(huán)形基礎(chǔ)板底最大應(yīng)力云圖

圖7　肋式基礎(chǔ)板面最大應(yīng)力云圖

圖8　肋式基礎(chǔ)板底最大應(yīng)力云圖

圖9　肋式基礎(chǔ)板面最大應(yīng)力云圖

圖10　肋式基礎(chǔ)板底最大應(yīng)力云圖

4　分析比較結(jié)果

通過上述模型的計算情況可知，兩個模型上部結(jié)構(gòu)相同、基礎(chǔ)底面積相同，只有基礎(chǔ)形式不同。環(huán)形基礎(chǔ)根部厚度為3.0m，基礎(chǔ)底板受力形式沿徑向?yàn)榧儜姨舭?；肋式基礎(chǔ)肋高4.0m，肋厚0.5m，此肋將下部0.8m厚的底板在庫壁內(nèi)外各分成18個區(qū)格，基礎(chǔ)底板受力形式為三邊固定一邊自由的板，而且跨度較小。肋式基礎(chǔ)設(shè)計結(jié)果如圖11。

圖11　肋式基礎(chǔ)設(shè)計結(jié)果

從上述計算結(jié)果的應(yīng)力圖可知，肋式基礎(chǔ)底板和肋板的應(yīng)力均不大，無論在垂直荷載作用下，還是在地震荷載的偏心作用下，基礎(chǔ)底板、肋板的應(yīng)力均在合適的范圍內(nèi)。從混凝土用量分析，環(huán)形基礎(chǔ)的混凝土用量為1260m3，此肋式基礎(chǔ)的混凝土用量為565m3。肋式基礎(chǔ)節(jié)約混凝土用量695m3（約55.2%），而此基礎(chǔ)配筋率比環(huán)形基礎(chǔ)增加不多，施工中避免了大體積混凝土澆筑產(chǎn)生的一些問題，施工亦無太大難度。從工廠造價來看，這樣一個筒倉基礎(chǔ)節(jié)約工程造價約80萬元，當(dāng)一條生產(chǎn)線中設(shè)計1個均化庫，1個熟料庫，3個或者6個水泥庫時，這種基礎(chǔ)的應(yīng)用可以節(jié)約很多混凝土用量，工程經(jīng)濟(jì)效益明顯。由此可見，此種形式基礎(chǔ)是一種受力合理、經(jīng)濟(jì)適用的筒倉基礎(chǔ)，可以在工程設(shè)計中根據(jù)情況加以使用推廣。

［1］貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊編寫組編.貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊［M］.中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［2］GB50077-2003，鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范［S］.