井架壳体结构设计计算书0803理想模型.docx
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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0.45kN/m2。
1、结构自重混凝土自重25kN/m3
2、恒荷载0.7kN/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/m2
1个活荷载满载1.5kN/m2（考虑3cm厚混凝土差值、屋面雪荷载及屋面活荷载0.3kN/m2），4个半跨活荷载1.5kN/m2
5、风荷载（膜表面积582m2,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16.7N/mm2，弹性模量E=32500MPa。
泊松比μ=0.2，混凝土自重25kN/m3。
钢筋采用HRB400，fy=360N/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
GlobalFX
GlobalFY
GlobalFZ
GlobalMX
GlobalMY
GlobalMZ
KN
KN
KN
KN-m
KN-m
KN-m
DEAD
0.00
0.00
2175.55
0.00
0.00
0.00
DEADLoad
0.00
0.00
410.00
0.00
0.00
0.00
InnerP
0.00
0.00
255.79
0.00
0.00
0.00
LiveA
0.00
0.00
639.46
0.00
0.00
0.00
LiveL
0.00
0.00
319.73
0.00
1580.33
0.00
LiveD
0.00
0.00
319.73
-1580.33
0.00
0.00
LiveR
0.00
0.00
319.73
0.00
-1580.33
0.00
LiveU
0.00
0.00
319.73
1580.33
0.00
0.00
Wind0
-190.20
0.00
-1025.85
0.00
-16709.07
-190.20
Wind45
-121.80
-134.49
-1025.85
11815.10
-10509.37
-121.80
Wind90
0.00
-190.20
-1025.85
16709.07
0.00
0.00
Wind135
121.80
-134.49
-1025.85
11815.10
10509.37
121.80
Wind180
190.20
0.00
-1025.85
0.00
16709.07
190.20
Wind225
121.80
134.49
-1025.85
-11815.10
10509.37
121.80
Wind270
0.00
190.20
-1025.85
-16709.07
0.00
0.00
Wind325
-121.80
134.49
-1025.85
-11815.10
-10509.37
-121.80
EQHor
346.24
346.24
0.00
33390.65
33390.65
346.24
3.2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3.082kNm/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0～1m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）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1～2m的壳体，因此，在设计时，即便其内力较小，但应在高度为1～2m的壳体进行配筋加强。
表2特征值屈曲因子
模态
1
2
3
4
5
6
屈曲因子
400.35
400.35
419.7
423.2
423.2
466.1
（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/m<137.7kN/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16.7N/mm2，钢筋采用HRB400，fy=360N/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12@100，径向配筋8@100.
表3Plate49内力及配筋计算
Plate49
F11
F22
M11
M22
环向配筋
径向配筋
KN/m
KN/m
KN-m/m
KN-m/m
（mm2/m）
（mm2/m）
maxF11
511.10
-7.88
0.49
0.00
726.90
1.88
minF11
35.05
-82.66
0.08
0.28
51.62
1.88
maxF22
511.10
-7.86
0.49
0.00
726.93
1.88
minF22
37.38
-82.69
0.11
0.36
55.64
1.88
maxF12
287.75
-13.70
1.73
6.43
459.80
220.01
minF12
35.13
-82.64
0.08
0.27
51.67
1.88
maxM11
287.74
-13.71
1.73
6.43
459.84
220.03
minM11
46.09
-45.23
0.04
-0.03
65.33
1.88
maxM22
287.74
-13.71
1.73
6.43
459.84
220.03
minM22
51.28
-45.24
0.04
-0.03
72.65
1.88
maxM12
511.09
-7.90
0.49
0.00
726.83
1.88
minM12
46.01
-45.20
0.04
-0.03
65.23
1.88
maxV13
287.74
-13.71
1.73
6.43
459.81
220.01
minV13
35.13
-82.64
0.08
0.27
51.67
1.88
maxV23
511.09
-7.90
0.49
0.00
726.83
1.88
minV23
48.86
-45.22
0.04
-0.03
69.34
1.88
726.93
220.03
实际配筋
12@100（1130.4）
8@100（502.4）
Plate50（弧长500-1000mm）
环向配筋10@125，径向配筋8@100.
表4Plate50内力及配筋计算
Plate50
F11
F22
M11
M22
环向配筋
径向配筋
KN/m
KN/m
KN-m/m
KN-m/m
（mm2/m）
（mm2/m）
maxF11
294.58
-10.14
1.75
6.43
470.02
220.87
minF11
26.54
-82.63
0.09
0.35
39.97
1.88
maxF22
294.58
-10.14
1.75
6.43
470.02
220.87
minF22
26.77
-82.64
0.08
0.32
40.04
1.88
maxF12
124.29
-12.53
1.82
7.46
235.97
256.01
minF12
26.78
-82.63
0.08
0.32
40.03
1.88
maxM11
124.29
-12.58
1.83
7.46
236.00
256.00
minM11
26.78
-82.63
0.08
0.32
40.03
1.88
maxM22
124.29
-12.56
1.82
7.46
235.98
256.01
minM22
35.72
-51.62
0.08
0.27
52.52
1.88
maxM12
294.58
-10.14
1.75
6.43
470.02
220.87
minM12
35.72
-51.62
0.08
0.27
52.52
1.88
maxV13
294.58
-10.14
1.75
6.43
470.05
220.88
minV13
35.72
-51.62
0.08
0.27
52.52
1.88
maxV23
124.29
-12.54
1.82
7.46
235.96
256.00
minV23
35.72
-51.62
0.08
0.27
52.52
1.88
最大配筋
470.05
256.01
实际配筋
10@125（628）
8@100（502.4）
Plate51（弧长1000-1500mm）
环向配筋8@125，径向配筋8@100.
表5Plate51内力及配筋计算
Plate51
F11
F22
M11
M22
环向配筋
径向配筋
KN/m
KN/m
KN-m/m
KN-m/m
（mm2/m）
（mm2/m）
maxF11
129.12
-9.54
1.84
7.45
243.21
256.62
minF11
-11.19
-78.58
0.06
0.26
1.88
1.88
maxF22
129.11
-9.51
1.84
7.45
243.20
256.63
minF22
-11.13
-78.60
0.06
0.26
1.88
1.88
maxF12
33.76
-11.15
1.39
5.95
95.24
204.12
minF12
-11.19
-78.58
0.06
0.26
1.88
1.88
maxM11
129.11
-9.77
1.84
7.45
243.22
256.58
minM11
-11.18
-78.58
0.06
0.26
1.88
1.88
maxM22
129.11
-9.77
1.84
7.45
243.22
256.58
minM22
-11.19
-78.58
0.06
0.26
1.88
1.88
maxM12
129.11
-9.89
1.84
7.45
243.19
256.54
minM12
27.30
-58.12
0.08
0.32
40.78
1.88
maxV13
129.11
-9.89
1.84
7.45
243.19
256.54
minV13
27.30
-58.12
0.08
0.32
40.80
1.88
maxV23
129.11
-9.89
1.84
7.45
243.19
256.54
minV23
27.30
-58.12
0.08
0.32
40.78
1.88
最大配筋
243.22
256.63
实际配筋
8@125（402）
8@100（502.4）
Plate52（弧长1500-2000mm）
环向配筋8@150，径向配筋8@100.
表6Plate52内力及配筋计算
Plate52
F11
F22
M11
M22
环向配筋
径向配筋
KN/m
KN/m
KN-m/m
KN-m/m
（mm2/m）
（mm2/m）
maxF11
35.82
-8.97
1.40
5.95
98.42
204.50
minF11
-40.64
-73.54
0.04
0.17
1.88
1.88
maxF22
35.70
-8.58
1.40
5.95
98.26
204.59
minF22
-40.58
-73.54
0.04
0.17
1.88
1.88
maxF12
35.82
-8.97
1.40
5.95
98.42
204.50
minF12
-9.72
-63.21
0.06
0.26
1.88
1.88
maxM11
35.57
-9.08
1.40
5.95
98.09
204.48
minM11
-40.58
-73.53
0.04
0.17
1.88
1.88
maxM22
35.60
-8.86
1.40
5.95
98.12
204.54
minM22
-40.58
-73.54
0.04
0.17
1.88
1.88
maxM12
35.82
-8.97
1.40
5.95
98.42
204.50
minM12
-9.72
-63.21
0.06
0.26
1.88
1.88
maxV13
35.82
-8.97
1.40
5.95
98.42
204.50
minV13
-9.72
-63.20
0.06
0.26
1.88
1.88
maxV23
35.82
-8.97
1.40
5.95
98.42
204.50
minV23
-40.58
-73.54
0.04
0.17
1.88
1.88
最大配筋
98.42
204.59
实际配筋
8@150（335）
8@100（502.4）
Plate53（弧长2000-2500mm）
环向配筋8@150，径向配筋8@150.
表7Plate53内力及配筋计算
Plate53
F11
F22
M11
M22
环向配筋
径向配筋
KN/m
KN/m
KN-m/m
KN-m/m
（mm2/m）
（mm2/m）
maxF11
17.95
-7.94
0.86
3.78
54.62
129.39
minF11
-56.86
-69.02
0.02
0.09
1.88
1.88
maxF22
17.28
-7.55
0.86
3.78
53.69
129.48
minF22
-56.86
-69.03
0.02
0.09
1.88
1.88
maxF12
17.95
-7.94
0.86
3.78
54.62
129.39
minF12
-39.05
-65.39
0.04
0.17
1.88
1.88
maxM11
17.87
-7.97
0.87
3.78
55.01
129.39
minM11
-56.86
-69.02
0.02
0.09
1.88
1.88
maxM22
17.93
-7.94
0.86
3.78
54.60
129.40
minM22
-56.86
-69.02
0.02
0.09
1.88
1.88
maxM12
17.95
-7.94
0.86
3.78
54.62
129.39
minM12
-39.05
-65.39
0.04
0.17
1.88
1.88
maxV13
17.95
-7.94
0.86
3.78
54.62
129.39
minV13
-39.05
-65.39
0.04
0.17
1.88
1.88
maxV23
17.95
-7.94
0.86
3.78
54.62
129.39
minV23
-39.05
-65.39
0.04
0.17
1.88
1.88
最大配筋
55.01
129.48
实际配筋
8@150（334）
8@150（334）
Plate54（弧长2500-3000mm）
环向配筋8@150，径向配筋8@150.
表8Plate54内力及配筋计算
Plate54
F11
F22
M11
M22
环向配筋
径向配筋
KN/m
KN/m
KN-m/m
KN-m/m
（mm2/m）
（mm2/m）
maxF11
15.99
-6.87
0.40
1.89
36.26
64.20
minF11
-56.25
-65.49
0.02
0.09
1.88
1.88
maxF22
15.27
-6.47
0.40
1.89
35.26
64.29
minF22
-55.45
-65.60
0.01
0.04
1.88
1.88
maxF12
15.99
-6.87
0.40
1.89
36.26
64.20
minF12
-56.25
-65.49
0.02
0.09
1.88
1.88
maxM11
15.91
-6.90
0.45
1.89
37.63
64.18
minM11
-55.42
-65.60
-0.04
0.04
1.88
1.88
maxM22
15.99
-6.87
0.40
1.89
36.26
64.20
minM22
-55.45
-65.59
-0.01
0.04
1.88
1.88
maxM12
15.99
-6.87
0.40
1.89
36.26
64.20
minM12
-56.25
-65.49
0.02
0.09
1.88
1.88
maxV13
15.99
-6.87
0.40
1.89
36.26
64.20
minV13
-56.25
-65.49
0.02
0.09
1.88
1.88
maxV23
15.99
-6.87
0.40
1.89
36.26
64.20
minV23
-56.25
-65.49
0.02
0.09
1.88
1.88
最大配筋
37.63
64.29
实际配筋
8@150（334）
8@150（334）
Plate55-56（弧长3000-4000mm）
环向配筋8@150，径向配筋8@150.
表9
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