井架壳体结构设计计算书0803理想模型.docx

1、井架壳体结构设计计算书0803理想模型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）混凝土结构设计规范（GB50011-2010）混凝土工程

2、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）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 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3c

3、m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：式中：风荷载标准值（kN/m2)； 高度z处的风振系数； 风荷载体型系数； 风压高度变化系数； 基本风压（kN/m2)风压高度变化系数取值：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

4、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。四、模型建立边界条件U1=3000kN/m, U2 =3000kN/m，U3= 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

5、。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 各工况反力荷载工况GlobalFXGlobalFYGlobalFZGlobalMXGlobalMYGlobalMZKNKNKNKN-mKN-mKN-mDEAD0.000.002175.550.000.000.00DEADLoad0.000.00410.000.000.000.00InnerP0.000.00255.790.000.000.00LiveA0.000.00639.460.000.000.

6、00LiveL0.000.00319.730.001580.330.00LiveD0.000.00319.73-1580.330.000.00LiveR0.000.00319.730.00-1580.330.00LiveU0.000.00319.731580.330.000.00Wind0-190.200.00-1025.850.00-16709.07-190.20Wind45-121.80-134.49-1025.8511815.10-10509.37-121.80Wind900.00-190.20-1025.8516709.070.000.00Wind135121.80-134.49-10

7、25.8511815.1010509.37121.80Wind180190.200.00-1025.850.0016709.07190.20Wind225121.80134.49-1025.85-11815.1010509.37121.80Wind2700.00190.20-1025.85-16709.070.000.00Wind325-121.80134.49-1025.85-11815.10-10509.37-121.80EQHor346.24346.240.0033390.6533390.65346.243.2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所示,最

8、大的x向及y向位移为2mm，z向位移为1mm。最大变形为3mm.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2m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）

9、 F22 （最大值-82.68kN/m） M11 （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123456屈曲因子400.35400.35419.7423.2423.246

10、6.1 （a）第1阶模态（屈曲因子400.35） （b）第2阶模态（屈曲因子400.35）（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 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： 当受到平面外剪力时，对150mm厚壳体，保护层厚度为35mm,b=1000mm，h0=150-35=115mm，则：计算得到的最大平面外剪力为18.89kN/m137.7kN/

11、m，满足要求！3.6 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

12、 内力及配筋计算Plate49F11F22M11M22环向配筋径向配筋KN/mKN/mKN-m/mKN-m/m（mm2/m）（mm2/m）maxF11511.10-7.880.490.00726.901.88minF1135.05-82.660.080.2851.621.88maxF22511.10-7.860.490.00726.931.88minF2237.38-82.690.110.3655.641.88maxF12287.75-13.701.736.43459.80220.01minF1235.13-82.640.080.2751.671.88maxM11287.74-13.711.7

13、36.43459.84220.03minM1146.09-45.230.04-0.0365.331.88maxM22287.74-13.711.736.43459.84220.03minM2251.28-45.240.04-0.0372.651.88maxM12511.09-7.900.490.00726.831.88minM1246.01-45.200.04-0.0365.231.88maxV13287.74-13.711.736.43459.81220.01minV1335.13-82.640.080.2751.671.88maxV23511.09-7.900.490.00726.831.

14、88minV2348.86-45.220.04-0.0369.341.88726.93 220.03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Plate50F11F22M11M22环向配筋径向配筋KN/mKN/mKN-m/mKN-m/m（mm2/m）（mm2/m）maxF11294.58-10.141.756.43470.02220.87minF1126.54-82.630.090.3539.971.88maxF22294.58-10.141.756.43

15、470.02220.87minF2226.77-82.640.080.3240.041.88maxF12124.29-12.531.827.46235.97256.01minF1226.78-82.630.080.3240.031.88maxM11124.29-12.581.837.46236.00256.00minM1126.78-82.630.080.3240.031.88maxM22124.29-12.561.827.46235.98256.01minM2235.72-51.620.080.2752.521.88maxM12294.58-10.141.756.43470.02220.87

16、minM1235.72-51.620.080.2752.521.88maxV13294.58-10.141.756.43470.05220.88minV1335.72-51.620.080.2752.521.88maxV23124.29-12.541.827.46235.96256.00minV2335.72-51.620.080.2752.521.88最大配筋470.05256.01实际配筋 10125（628） 8100（502.4）Plate51 （弧长1000-1500mm）环向配筋 8125，径向配筋 8100.表5 Plate51 内力及配筋计算Plate51F11F22M11M2

17、2环向配筋径向配筋KN/mKN/mKN-m/mKN-m/m（mm2/m）（mm2/m）maxF11129.12-9.541.847.45243.21256.62minF11-11.19-78.580.060.261.881.88maxF22129.11-9.511.847.45243.20256.63minF22-11.13-78.600.060.261.881.88maxF1233.76-11.151.395.9595.24204.12minF12-11.19-78.580.060.261.881.88maxM11129.11-9.771.847.45243.22256.58minM11-1

18、1.18-78.580.060.261.881.88maxM22129.11-9.771.847.45243.22256.58minM22-11.19-78.580.060.261.881.88maxM12129.11-9.891.847.45243.19256.54minM1227.30-58.120.080.3240.781.88maxV13129.11-9.891.847.45243.19256.54minV1327.30-58.120.080.3240.801.88maxV23129.11-9.891.847.45243.19256.54minV2327.30-58.120.080.3

19、240.781.88最大配筋243.22256.63实际配筋 8125（402）8 100（502.4）Plate52 （弧长1500-2000mm）环向配筋 8150，径向配筋 8100.表6 Plate52 内力及配筋计算Plate52F11F22M11M22环向配筋径向配筋KN/mKN/mKN-m/mKN-m/m（mm2/m）（mm2/m）maxF1135.82-8.971.405.9598.42204.50minF11-40.64-73.540.040.171.881.88maxF2235.70-8.581.405.9598.26204.59minF22-40.58-73.540.04

20、0.171.881.88maxF1235.82-8.971.405.9598.42204.50minF12-9.72-63.210.060.261.881.88maxM1135.57-9.081.405.9598.09204.48minM11-40.58-73.530.040.171.881.88maxM2235.60-8.861.405.9598.12204.54minM22-40.58-73.540.040.171.881.88maxM1235.82-8.971.405.9598.42204.50minM12-9.72-63.210.060.261.881.88maxV1335.82-8.

21、971.405.9598.42204.50minV13-9.72-63.200.060.261.881.88maxV2335.82-8.971.405.9598.42204.50minV23-40.58-73.540.040.171.881.88最大配筋98.42204.59实际配筋 8150（335） 8100（502.4）Plate53 （弧长2000-2500mm）环向配筋 8150，径向配筋 8150.表7 Plate53 内力及配筋计算Plate53F11F22M11M22环向配筋径向配筋KN/mKN/mKN-m/mKN-m/m（mm2/m）（mm2/m）maxF1117.95-7.

22、940.863.7854.62129.39minF11-56.86-69.020.020.091.881.88maxF2217.28-7.550.863.7853.69129.48minF22-56.86-69.030.020.091.881.88maxF1217.95-7.940.863.7854.62129.39minF12-39.05-65.390.040.171.881.88maxM1117.87-7.970.873.7855.01129.39minM11-56.86-69.020.020.091.881.88maxM2217.93-7.940.863.7854.60129.40min

23、M22-56.86-69.020.020.091.881.88maxM1217.95-7.940.863.7854.62129.39minM12-39.05-65.390.040.171.881.88maxV1317.95-7.940.863.7854.62129.39minV13-39.05-65.390.040.171.881.88maxV2317.95-7.940.863.7854.62129.39minV23-39.05-65.390.040.171.881.88最大配筋55.01129.48实际配筋 8150（334） 8150（334）Plate54 （弧长2500-3000mm）

24、环向配筋 8150，径向配筋 8150.表8 Plate54 内力及配筋计算Plate54F11F22M11M22环向配筋径向配筋KN/mKN/mKN-m/mKN-m/m（mm2/m）（mm2/m）maxF1115.99-6.870.401.8936.2664.20minF11-56.25-65.490.020.091.881.88maxF2215.27-6.470.401.8935.2664.29minF22-55.45-65.600.010.041.881.88maxF1215.99-6.870.401.8936.2664.20minF12-56.25-65.490.020.091.881

25、.88maxM1115.91-6.900.451.8937.6364.18minM11-55.42-65.60-0.040.041.881.88maxM2215.99-6.870.401.8936.2664.20minM22-55.45-65.59-0.010.041.881.88maxM1215.99-6.870.401.8936.2664.20minM12-56.25-65.490.020.091.881.88maxV1315.99-6.870.401.8936.2664.20minV13-56.25-65.490.020.091.881.88maxV2315.99-6.870.401.8936.2664.20minV23-56.25-65.490.020.091.881.88最大配筋37.6364.29实际配筋 8150（334） 8150（334）Plate55-56 （弧长3000-4000mm）环向配筋 8150，径向配筋 8150.表9