肋式筒倉(cāng)基礎(chǔ)受力的有限元分析計(jì)算

嚴(yán)昭君　馬祥喜

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

肋式筒倉(cāng)基礎(chǔ)受力的有限元分析計(jì)算

嚴(yán)昭君馬祥喜

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

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

筒倉(cāng)；筒倉(cāng)基礎(chǔ)；肋式筒倉(cāng)基礎(chǔ)；有限元計(jì)算；筒倉(cāng)基礎(chǔ)有限元分析

筒倉(cāng)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(cāng)的結(jié)構(gòu)形式有多種，一般是根據(jù)工藝流程、場(chǎng)地條件和施工情況等綜合比較確定。筒倉(cāng)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(cāng)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(guó)家現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過分析比較來簡(jiǎn)要介紹肋式筒倉(cāng)基礎(chǔ)的受力分析及設(shè)計(jì)、使用的可行性。

1　工程概況

某水泥廠圓形水泥庫(kù)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，庫(kù)直徑18m，高度55.0m，倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)料為水泥。倉(cāng)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(cāng)及基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，受力鋼筋采用HRB400級(jí)。

所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度（設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.30g），設(shè)計(jì)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(bào)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(jì)算分析，該筒倉(cāng)地基不需處理，可以直接使用天然地基。

2　工程設(shè)計(jì)概況

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

根據(jù)計(jì)算，環(huán)形基礎(chǔ)寬度9.80m，庫(kù)內(nèi)側(cè)懸挑長(zhǎng)度B1=5.65m，外側(cè)懸挑長(zhǎng)度B2=4.15m。基礎(chǔ)厚度根部為H=3.00m，端部高度H1=1.5m。計(jì)算簡(jiǎn)圖及設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1。

此筒倉(cāng)基礎(chǔ)形式簡(jiǎn)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(jì)時(shí)可以對(duì)基礎(chǔ)形式加以改進(jìn)。

圖1　筒倉(cāng)簡(jiǎn)圖及設(shè)計(jì)結(jié)果

3　有限元分析對(duì)比

為了減少筒倉(cāng)基礎(chǔ)的鋼筋混凝土用量，設(shè)計(jì)上在基礎(chǔ)底面積不變的情況下，對(duì)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(jiǎn)圖如圖2。

圖2　肋式基礎(chǔ)3D圖

以下將使用計(jì)算軟件STAADprov8i進(jìn)行筒倉(cāng)整體有限元分析計(jì)算，根據(jù)筒倉(cāng)的實(shí)際大小，將筒倉(cāng)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(duì)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(jì)算情況可知，兩個(gè)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)榧儜姨舭澹焕呤交A(chǔ)肋高4.0m，肋厚0.5m，此肋將下部0.8m厚的底板在庫(kù)壁內(nèi)外各分成18個(gè)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(jì)結(jié)果如圖11。

圖11　肋式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)果

從上述計(jì)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(jià)來看，這樣一個(gè)筒倉(cāng)基礎(chǔ)節(jié)約工程造價(jià)約80萬元，當(dāng)一條生產(chǎn)線中設(shè)計(jì)1個(gè)均化庫(kù)，1個(gè)熟料庫(kù)，3個(gè)或者6個(gè)水泥庫(kù)時(shí)，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(cāng)基礎(chǔ)，可以在工程設(shè)計(jì)中根據(jù)情況加以使用推廣。

［1］貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組編.貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

［2］GB50077-2003，鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.