水泥工業(yè)中厚板的設(shè)計(jì)計(jì)算方法分析

聶 衛(wèi) 東

(河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050051)

水泥工業(yè)中厚板的設(shè)計(jì)計(jì)算方法分析

聶 衛(wèi) 東

(河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050051)

探討了水泥工業(yè)中荷載作用下厚板計(jì)算分析原理，并對(duì)工程分析方法進(jìn)行了論述，指出庫(kù)底板厚板結(jié)構(gòu)在滿足設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上，經(jīng)計(jì)算均能滿足規(guī)范要求，且已在工程中得到應(yīng)用，效果良好。

倉(cāng)底厚板，彈性分析，塑性分析，設(shè)計(jì)方法

在水泥工業(yè)中筒倉(cāng)廣泛用于儲(chǔ)存各種物料，根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同倉(cāng)底形式通常有折板式、正倒圓錐式、錐殼式、角錐式、平板式和通道式等。為滑模方便，一般將倉(cāng)底與筒壁脫開，倉(cāng)底由筒壁柱及環(huán)梁支撐。實(shí)際工程使用較多的是梁柱支撐的錐斗倉(cāng)底、鋼筋混凝土墻支撐的倒圓錐殼形倉(cāng)底或倒圓錐殼與折板梁組合倉(cāng)底、平板(一般厚度為300 mm～1 000 mm)填料倉(cāng)底等。

新型干法水泥工業(yè)中，除生料均化庫(kù)庫(kù)底采用倒圓錐倉(cāng)壁外，無論是梁柱支撐還是混凝土墻支撐，庫(kù)底板一般均采用厚板結(jié)構(gòu)，根據(jù)物料類型及庫(kù)體直徑的不同，其厚度在400～1 500不等。本文分析了儲(chǔ)料荷載作用下厚板是按彈性方法還是按塑性方法計(jì)算的問題，對(duì)筒倉(cāng)厚板設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，可廣泛應(yīng)用于水泥、煤炭、礦山、石化、糧食儲(chǔ)存等行業(yè)。

1 計(jì)算分析假定

結(jié)構(gòu)分析應(yīng)符合三類基本方程，即力學(xué)平衡方程，變形協(xié)調(diào)(幾何)條件和本構(gòu)(物理)關(guān)系。其中力學(xué)平衡條件必須滿足，變形協(xié)調(diào)條件應(yīng)在不同程度上予以滿足，本構(gòu)關(guān)系需合理選用。

2 計(jì)算分析原理

結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)筒倉(cāng)底板跨度、混凝土材料等級(jí)、鋼筋級(jí)別及筒倉(cāng)儲(chǔ)料等選擇下列分析方法：1)彈性分析方法，最基本、最成熟的分析方法。結(jié)構(gòu)內(nèi)力的彈性分析和截面承載力的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)相結(jié)合，在實(shí)際工程中簡(jiǎn)易可行。按此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，其承載力一般偏于安全。少數(shù)結(jié)構(gòu)因混凝土開裂部分的剛度減小而發(fā)生內(nèi)力重分布，可能影響其他部分的開裂和變形狀態(tài)?？紤]到混凝土結(jié)構(gòu)開裂后的剛度減小，對(duì)梁、柱構(gòu)件可分別取用不同的剛度折減值，且不再考慮剛度隨作用效應(yīng)而變化。在此基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形仍可采用彈性分析方法。2)塑性內(nèi)力重分布分析方法，此法可用于超靜定混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有發(fā)揮結(jié)構(gòu)潛力，節(jié)約材料，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和方便施工的優(yōu)點(diǎn)，但需注意抗彎能力調(diào)低部位的變形和裂縫可能相應(yīng)增大。3)彈塑性分析方法，以混凝土的實(shí)際力學(xué)性能為依據(jù)，引入相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系后，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力全過程分析，且可以較好的解決各種體型和受力復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析問題。但此法比較復(fù)雜，計(jì)算工作量偏大，各種非線性本構(gòu)關(guān)系不夠完善，且需有成熟、穩(wěn)定的軟件提供支持。主要用于重要、復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程和罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)分析。4)塑性極限分析方法，主要用于周邊有梁或墻支承的雙向板設(shè)計(jì)。工程設(shè)計(jì)和施工實(shí)踐證明，在規(guī)定條件下按此法進(jìn)行計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)便捷易行，可保證結(jié)構(gòu)的安全使用。5)試驗(yàn)分析方法，用于體型不規(guī)則和受力狀態(tài)復(fù)雜，又無其他恰當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化分析方法的結(jié)構(gòu)。

3 工程分析方法

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)分析日趨普遍，采用有限元理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析已成為最通用且精度較高的方法。對(duì)結(jié)構(gòu)采用不同性質(zhì)的單元理論建立起單元?jiǎng)偠确匠?，將結(jié)構(gòu)所有單元的單元?jiǎng)偠确匠碳煽山⒔Y(jié)構(gòu)總體剛度方程。結(jié)構(gòu)總體剛度方程實(shí)際為未知量很多的線性方程組，利用計(jì)算機(jī)程序求解，從而得出結(jié)構(gòu)各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)位移、內(nèi)力效應(yīng)。目前筒倉(cāng)底板設(shè)計(jì)中最常用的方法有PKPM，SFD及用靜力手冊(cè)手算結(jié)果。

4 混凝土規(guī)范設(shè)計(jì)要求

1)混凝土厚板按彈性方法計(jì)算時(shí)，應(yīng)滿足規(guī)范5.3.1～5.3.5條的規(guī)定。當(dāng)考慮支承位移對(duì)板內(nèi)力和變形的影響，需對(duì)支座彎矩進(jìn)行調(diào)幅。調(diào)幅的幅度和受壓區(qū)的高度均應(yīng)滿足5.4.3條的規(guī)定。2)混凝土厚板按塑性方法計(jì)算時(shí)，應(yīng)滿足規(guī)范5.4.1～5.4.4條的規(guī)定，需區(qū)分平衡扭轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)力重分布的影響，同時(shí)采取有效的構(gòu)造措施。3)混凝土厚板按彈塑性方法計(jì)算時(shí)，應(yīng)滿足規(guī)范5.5.1～5.5.3條的規(guī)定，具體分析時(shí)可根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同情況，對(duì)構(gòu)件的尺寸、截面配筋和材料性能做預(yù)先設(shè)定，并采用不同的離散尺度，以確定相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系。4)混凝土厚板按塑性極限方法計(jì)算時(shí)，應(yīng)滿足規(guī)范5.6.1～5.6.3條的規(guī)定，并加強(qiáng)對(duì)極限分析精確解、上限解和下限解的理解和對(duì)雙向矩形板塑性絞線法或條帶法計(jì)算原則的應(yīng)用。

5 實(shí)際工程應(yīng)用

從理論上說，各種分析方法都可應(yīng)用，但考慮到實(shí)際工程中不同分析方法的材料用量,特別是鋼筋用量相差約20%。針對(duì)不同筒倉(cāng)儲(chǔ)料和底板形式可采用上述不同的結(jié)構(gòu)分析方法，然后根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)取塑性或彈性計(jì)算結(jié)果作為最終計(jì)算配筋，同時(shí)滿足構(gòu)造要求。

水泥工業(yè)中混凝土筒倉(cāng)庫(kù)底考慮物料沖擊和工藝需要一般厚度較大[3]，采用四級(jí)鋼筋上述分析方法的計(jì)算結(jié)果相差不大。工程實(shí)例分析表明厚板在PKPM，SFD及手算中無論采取彈性還是塑性，一般配筋均由構(gòu)造要求控制。

對(duì)現(xiàn)澆底板宜考慮樓板對(duì)梁剛度和承載力的有利作用[2]，實(shí)際工程中梁剛度放大系數(shù)應(yīng)根據(jù)梁有效翼緣尺寸與梁截面尺寸的相對(duì)比例確定。如厚板加相對(duì)小梁，可按密肋板理論計(jì)算，翼緣對(duì)梁的貢獻(xiàn)不是很大，應(yīng)該達(dá)不到平均值；大梁加薄板，剛度放大系數(shù)要取小值，且需采取相應(yīng)加強(qiáng)措施，板適當(dāng)加厚，配筋適當(dāng)加強(qiáng)。

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

[2] GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50077-2003,鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.SATWE-PKPM[Z].2010.

[5] 天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院.SFD —筒倉(cāng)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[Z].2004.

[6] 實(shí)用建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Analysis on the design and calculation method of thick plate in cement industry

NIE Wei-dong

(Hebei Building Materials Industry Design and Research Institute, Shijiazhuang 050051, China)

The paper explores the thick plate calculation under the load in the cement industry, indicates the engineering analysis methods, and points out the thick plate structure storage bottom plate by satisfying the design principle, and meets the demands of regulations, so it can be applied in projects with better effect.

silo bottom thick plate, elastic analysis, plastic analysis, design method

1009-6825(2014)31-0063-02

2014-08-20

聶衛(wèi)東(1980- )，男，工程師

TU318

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