水泥工業中厚板的設計計算方法分析

聶 衛 東

(河北省建筑材料工業設計研究院，河北 石家莊 050051)

水泥工業中厚板的設計計算方法分析

聶 衛 東

(河北省建筑材料工業設計研究院，河北 石家莊 050051)

探討了水泥工業中荷載作用下厚板計算分析原理，并對工程分析方法進行了論述，指出庫底板厚板結構在滿足設計原則基礎上，經計算均能滿足規范要求，且已在工程中得到應用，效果良好。

倉底厚板，彈性分析，塑性分析，設計方法

在水泥工業中筒倉廣泛用于儲存各種物料，根據生產工藝的不同倉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，一般將倉底與筒壁脫開，倉底由筒壁柱及環梁支撐。實際工程使用較多的是梁柱支撐的錐斗倉底、鋼筋混凝土墻支撐的倒圓錐殼形倉底或倒圓錐殼與折板梁組合倉底、平板(一般厚度為300 mm～1 000 mm)填料倉底等。

新型干法水泥工業中，除生料均化庫庫底采用倒圓錐倉壁外，無論是梁柱支撐還是混凝土墻支撐，庫底板一般均采用厚板結構，根據物料類型及庫體直徑的不同，其厚度在400～1 500不等。本文分析了儲料荷載作用下厚板是按彈性方法還是按塑性方法計算的問題，對筒倉厚板設計有一定的指導意義，可廣泛應用于水泥、煤炭、礦山、石化、糧食儲存等行業。

1 計算分析假定

結構分析應符合三類基本方程，即力學平衡方程，變形協調(幾何)條件和本構(物理)關系。其中力學平衡條件必須滿足，變形協調條件應在不同程度上予以滿足，本構關系需合理選用。

2 計算分析原理

結構分析時，應根據筒倉底板跨度、混凝土材料等級、鋼筋級別及筒倉儲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。結構內力的彈性分析和截面承載力的極限狀態設計相結合，在實際工程中簡易可行。按此設計的結構，其承載力一般偏于安全。少數結構因混凝土開裂部分的剛度減小而發生內力重分布，可能影響其他部分的開裂和變形狀態。考慮到混凝土結構開裂后的剛度減小，對梁、柱構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而變化。在此基礎上結構的內力和變形仍可采用彈性分析方法。2)塑性內力重分布分析方法，此法可用于超靜定混凝土結構設計，具有發揮結構潛力，節約材料，簡化設計和方便施工的優點，但需注意抗彎能力調低部位的變形和裂縫可能相應增大。3)彈塑性分析方法，以混凝土的實際力學性能為依據，引入相應的本構關系后，可進行結構受力全過程分析，且可以較好的解決各種體型和受力復雜結構的分析問題。但此法比較復雜，計算工作量偏大，各種非線性本構關系不夠完善，且需有成熟、穩定的軟件提供支持。主要用于重要、復雜結構工程和罕遇地震作用下的結構分析。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計。工程設計和施工實踐證明，在規定條件下按此法進行計算和構造設計便捷易行，可保證結構的安全使用。5)試驗分析方法，用于體型不規則和受力狀態復雜，又無其他恰當的簡化分析方法的結構。

3 工程分析方法

結構設計中采用計算機分析日趨普遍，采用有限元理論進行結構分析已成為最通用且精度較高的方法。對結構采用不同性質的單元理論建立起單元剛度方程，將結構所有單元的單元剛度方程集成可建立結構總體剛度方程。結構總體剛度方程實際為未知量很多的線性方程組，利用計算機程序求解，從而得出結構各個單元節點位移、內力效應。目前筒倉底板設計中最常用的方法有PKPM，SFD及用靜力手冊手算結果。

4 混凝土規范設計要求

1)混凝土厚板按彈性方法計算時，應滿足規范5.3.1～5.3.5條的規定。當考慮支承位移對板內力和變形的影響，需對支座彎矩進行調幅。調幅的幅度和受壓區的高度均應滿足5.4.3條的規定。2)混凝土厚板按塑性方法計算時，應滿足規范5.4.1～5.4.4條的規定，需區分平衡扭轉和協調扭轉對應力重分布的影響，同時采取有效的構造措施。3)混凝土厚板按彈塑性方法計算時，應滿足規范5.5.1～5.5.3條的規定，具體分析時可根據結構的不同情況，對構件的尺寸、截面配筋和材料性能做預先設定，并采用不同的離散尺度，以確定相應的本構關系。4)混凝土厚板按塑性極限方法計算時，應滿足規范5.6.1～5.6.3條的規定，并加強對極限分析精確解、上限解和下限解的理解和對雙向矩形板塑性絞線法或條帶法計算原則的應用。

5 實際工程應用

從理論上說，各種分析方法都可應用，但考慮到實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%。針對不同筒倉儲料和底板形式可采用上述不同的結構分析方法，然后根據工程實踐經驗取塑性或彈性計算結果作為最終計算配筋，同時滿足構造要求。

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

對現澆底板宜考慮樓板對梁剛度和承載力的有利作用[2]，實際工程中梁剛度放大系數應根據梁有效翼緣尺寸與梁截面尺寸的相對比例確定。如厚板加相對小梁，可按密肋板理論計算，翼緣對梁的貢獻不是很大，應該達不到平均值；大梁加薄板，剛度放大系數要取小值，且需采取相應加強措施，板適當加厚，配筋適當加強。

[1] 貯倉結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[2] GB 50010-2010,混凝土結構設計規范[S].

[3] GB 50077-2003,鋼筋混凝土筒倉設計規范[S].

[4] 中國建筑科學研究院.SATWE-PKPM[Z].2010.

[5] 天津水泥工業設計研究院.SFD —筒倉及基礎設計[Z].2004.

[6] 實用建筑結構靜力計算手冊[M].北京：機械工業出版社，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

聶衛東(1980- )，男，工程師

TU318

A