水泥工业中厚板的设计计算方法分析

聂 卫 东

(河北省建筑材料工业设计研究院，河北 石家庄 050051)

水泥工业中厚板的设计计算方法分析

聂 卫 东

(河北省建筑材料工业设计研究院，河北 石家庄 050051)

探讨了水泥工业中荷载作用下厚板计算分析原理，并对工程分析方法进行了论述，指出库底板厚板结构在满足设计原则基础上，经计算均能满足规范要求，且已在工程中得到应用，效果良好。

仓底厚板，弹性分析，塑性分析，设计方法

在水泥工业中筒仓广泛用于储存各种物料，根据生产工艺的不同仓底形式通常有折板式、正倒圆锥式、锥壳式、角锥式、平板式和通道式等。为滑模方便，一般将仓底与筒壁脱开，仓底由筒壁柱及环梁支撑。实际工程使用较多的是梁柱支撑的锥斗仓底、钢筋混凝土墙支撑的倒圆锥壳形仓底或倒圆锥壳与折板梁组合仓底、平板(一般厚度为300 mm～1 000 mm)填料仓底等。

新型干法水泥工业中，除生料均化库库底采用倒圆锥仓壁外，无论是梁柱支撑还是混凝土墙支撑，库底板一般均采用厚板结构，根据物料类型及库体直径的不同，其厚度在400～1 500不等。本文分析了储料荷载作用下厚板是按弹性方法还是按塑性方法计算的问题，对筒仓厚板设计有一定的指导意义，可广泛应用于水泥、煤炭、矿山、石化、粮食储存等行业。

1 计算分析假定

结构分析应符合三类基本方程，即力学平衡方程，变形协调(几何)条件和本构(物理)关系。其中力学平衡条件必须满足，变形协调条件应在不同程度上予以满足，本构关系需合理选用。

2 计算分析原理

结构分析时，应根据筒仓底板跨度、混凝土材料等级、钢筋级别及筒仓储料等选择下列分析方法：1)弹性分析方法，最基本、最成熟的分析方法。结构内力的弹性分析和截面承载力的极限状态设计相结合，在实际工程中简易可行。按此设计的结构，其承载力一般偏于安全。少数结构因混凝土开裂部分的刚度减小而发生内力重分布，可能影响其他部分的开裂和变形状态。考虑到混凝土结构开裂后的刚度减小，对梁、柱构件可分别取用不同的刚度折减值，且不再考虑刚度随作用效应而变化。在此基础上结构的内力和变形仍可采用弹性分析方法。2)塑性内力重分布分析方法，此法可用于超静定混凝土结构设计，具有发挥结构潜力，节约材料，简化设计和方便施工的优点，但需注意抗弯能力调低部位的变形和裂缝可能相应增大。3)弹塑性分析方法，以混凝土的实际力学性能为依据，引入相应的本构关系后，可进行结构受力全过程分析，且可以较好的解决各种体型和受力复杂结构的分析问题。但此法比较复杂，计算工作量偏大，各种非线性本构关系不够完善，且需有成熟、稳定的软件提供支持。主要用于重要、复杂结构工程和罕遇地震作用下的结构分析。4)塑性极限分析方法，主要用于周边有梁或墙支承的双向板设计。工程设计和施工实践证明，在规定条件下按此法进行计算和构造设计便捷易行，可保证结构的安全使用。5)试验分析方法，用于体型不规则和受力状态复杂，又无其他恰当的简化分析方法的结构。

3 工程分析方法

结构设计中采用计算机分析日趋普遍，采用有限元理论进行结构分析已成为最通用且精度较高的方法。对结构采用不同性质的单元理论建立起单元刚度方程，将结构所有单元的单元刚度方程集成可建立结构总体刚度方程。结构总体刚度方程实际为未知量很多的线性方程组，利用计算机程序求解，从而得出结构各个单元节点位移、内力效应。目前筒仓底板设计中最常用的方法有PKPM，SFD及用静力手册手算结果。

4 混凝土规范设计要求

1)混凝土厚板按弹性方法计算时，应满足规范5.3.1～5.3.5条的规定。当考虑支承位移对板内力和变形的影响，需对支座弯矩进行调幅。调幅的幅度和受压区的高度均应满足5.4.3条的规定。2)混凝土厚板按塑性方法计算时，应满足规范5.4.1～5.4.4条的规定，需区分平衡扭转和协调扭转对应力重分布的影响，同时采取有效的构造措施。3)混凝土厚板按弹塑性方法计算时，应满足规范5.5.1～5.5.3条的规定，具体分析时可根据结构的不同情况，对构件的尺寸、截面配筋和材料性能做预先设定，并采用不同的离散尺度，以确定相应的本构关系。4)混凝土厚板按塑性极限方法计算时，应满足规范5.6.1～5.6.3条的规定，并加强对极限分析精确解、上限解和下限解的理解和对双向矩形板塑性绞线法或条带法计算原则的应用。

5 实际工程应用

从理论上说，各种分析方法都可应用，但考虑到实际工程中不同分析方法的材料用量,特别是钢筋用量相差约20%。针对不同筒仓储料和底板形式可采用上述不同的结构分析方法，然后根据工程实践经验取塑性或弹性计算结果作为最终计算配筋，同时满足构造要求。

水泥工业中混凝土筒仓库底考虑物料冲击和工艺需要一般厚度较大[3]，采用四级钢筋上述分析方法的计算结果相差不大。工程实例分析表明厚板在PKPM，SFD及手算中无论采取弹性还是塑性，一般配筋均由构造要求控制。

对现浇底板宜考虑楼板对梁刚度和承载力的有利作用[2]，实际工程中梁刚度放大系数应根据梁有效翼缘尺寸与梁截面尺寸的相对比例确定。如厚板加相对小梁，可按密肋板理论计算，翼缘对梁的贡献不是很大，应该达不到平均值；大梁加薄板，刚度放大系数要取小值，且需采取相应加强措施，板适当加厚，配筋适当加强。

[1] 贮仓结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[2] GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

[3] GB 50077-2003,钢筋混凝土筒仓设计规范[S].

[4] 中国建筑科学研究院.SATWE-PKPM[Z].2010.

[5] 天津水泥工业设计研究院.SFD —筒仓及基础设计[Z].2004.

[6] 实用建筑结构静力计算手册[M].北京：机械工业出版社，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

聂卫东(1980- )，男，工程师

TU318

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