肋式筒倉基礎受力的有限元分析計算

嚴昭君　馬祥喜

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

肋式筒倉基礎受力的有限元分析計算

嚴昭君馬祥喜

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

介紹了工業建筑中筒倉基礎設計過程中使用環肋式筒倉基礎的力學分析計算，通過有限元計算分析對比，給出了計算分析上的可行性及經濟性。

筒倉；筒倉基礎；肋式筒倉基礎；有限元計算；筒倉基礎有限元分析

筒倉結構在工業生產中是一種常見的貯存結構，被用來存貯原材料、燃料、糧食、工業成品或半成品等。筒倉的結構形式有多種，一般是根據工藝流程、場地條件和施工情況等綜合比較確定。筒倉的基礎形式，則是根據地基條件、上部荷載和上部結構形式等多項情況綜合考慮確定。目前，工程中使用較多的筒倉基礎形式有：環形基礎、筏板基礎、箱型基礎、樁式基礎等。文章將結合工程實例，依據國家現行規范標準，通過分析比較來簡要介紹肋式筒倉基礎的受力分析及設計、使用的可行性。

1　工程概況

某水泥廠圓形水泥庫，鋼筋混凝土結構，庫直徑18m，高度55.0m，倉內儲料為水泥。倉壁厚度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。筒倉及基礎混凝土強度等級為C40，受力鋼筋采用HRB400級。

所在地區抗震設防烈度為8度（設計基本地震加速度為0.30g），設計地震分組為第一組，基本風壓0.50kN/m2，地面粗糙度為B類。依據地勘報告及其他條件，基礎埋深為-5.500m。地基承載力特征值為fak=600kPa。初步計算分析，該筒倉地基不需處理，可以直接使用天然地基。

2　工程設計概況

依據《鋼筋混凝土筒倉設計規范》、《建筑地基基礎設計規范》及《建筑抗震設計規范》等國家現行設計規范，該筒倉采用環形基礎，以手算的方式進行計算。

根據計算，環形基礎寬度9.80m，庫內側懸挑長度B1=5.65m，外側懸挑長度B2=4.15m?；A厚度根部為H=3.00m，端部高度H1=1.5m。計算簡圖及設計結果如圖1。

此筒倉基礎形式簡單，能滿足受力要求。但是，因為受基礎形式的影響，基礎整體厚度偏大，混凝土及鋼筋用量也大。設計時可以對基礎形式加以改進。

圖1　筒倉簡圖及設計結果

3　有限元分析對比

為了減少筒倉基礎的鋼筋混凝土用量，設計上在基礎底面積不變的情況下，對環形基礎的基礎形式進行改進：沿圓周均勻設置18道徑向的鋼筋混凝土肋，肋厚度500mm，基礎底板厚度減小為800 mm。肋式基礎3D簡圖如圖2。

圖2　肋式基礎3D圖

以下將使用計算軟件STAADprov8i進行筒倉整體有限元分析計算，根據筒倉的實際大小，將筒倉沿圓周環向劃分為36格，豎向劃分為高度約1m的板進行建模。分別按照環形基礎和肋式基礎建模，通過分析對比環形基礎與肋式基礎各部位的受力，研究肋式基礎的可行性及經濟性。

圖3～圖6是環形基礎的應力圖，圖7～圖10是肋式基礎的應力圖。

圖3　環形基礎板面最大應力云圖

圖4　環形基礎板底最大應力云圖

圖5　環形基礎板面最大應力云圖

圖6　環形基礎板底最大應力云圖

圖7　肋式基礎板面最大應力云圖

圖8　肋式基礎板底最大應力云圖

圖9　肋式基礎板面最大應力云圖

圖10　肋式基礎板底最大應力云圖

4　分析比較結果

通過上述模型的計算情況可知，兩個模型上部結構相同、基礎底面積相同，只有基礎形式不同。環形基礎根部厚度為3.0m，基礎底板受力形式沿徑向為純懸挑板；肋式基礎肋高4.0m，肋厚0.5m，此肋將下部0.8m厚的底板在庫壁內外各分成18個區格，基礎底板受力形式為三邊固定一邊自由的板，而且跨度較小。肋式基礎設計結果如圖11。

圖11　肋式基礎設計結果

從上述計算結果的應力圖可知，肋式基礎底板和肋板的應力均不大，無論在垂直荷載作用下，還是在地震荷載的偏心作用下，基礎底板、肋板的應力均在合適的范圍內。從混凝土用量分析，環形基礎的混凝土用量為1260m3，此肋式基礎的混凝土用量為565m3。肋式基礎節約混凝土用量695m3（約55.2%），而此基礎配筋率比環形基礎增加不多，施工中避免了大體積混凝土澆筑產生的一些問題，施工亦無太大難度。從工廠造價來看，這樣一個筒倉基礎節約工程造價約80萬元，當一條生產線中設計1個均化庫，1個熟料庫，3個或者6個水泥庫時，這種基礎的應用可以節約很多混凝土用量，工程經濟效益明顯。由此可見，此種形式基礎是一種受力合理、經濟適用的筒倉基礎，可以在工程設計中根據情況加以使用推廣。

［1］貯倉結構設計手冊編寫組編.貯倉結構設計手冊［M］.中國建筑工業出版社，1999.

［2］GB50077-2003，鋼筋混凝土筒倉設計規范［S］.