论文部分内容阅读
摘要：介绍了钢板仓新型无埋深梁-板-壳空间组合基础的力学行为与技术特点，探讨了基础计算分析方法的选用，并对此基础可能存在的问题做出总结与展望。
Abstract: The article introduces the mechanical behavior and technology features of one new steel plate warehouse that is buried without depth and beam, board and shell space combination and discusses the selection of calculation analysis methods with summary and forecast based on potential problems.
关键词：钢板仓无埋深有限元协同工作
Key Words: steel plate warehouse, buried without depth finite element, coordinated work
中图分类号：TU249 文献标识码：B文章编号：2095-2104（2011）12-0000--02
一、常见钢板仓基础的形式及特点：
钢板仓作为一种新型的现代化仓型，具有工期短，标准化程度高，贮藏量大等特点，在粮食、水泥、化工、油脂等行业得到了越来越广泛地应用。钢板仓的基础除地下埋置部分外，还包括仓底和支撑结构，钢板仓根据仓型的不同，可分为平底仓和锥形仓，其支撑结构可选用砌体柱，钢筋混凝土筒壁等形式。 筒仓埋置于地下的基础，根据上部荷载及特性的不同，可选用以下两种常见形式：1.桩基础：又分为钢筋混凝土预制打入桩基础和钻孔灌注桩基础：当筒仓荷载大，地基土比较软弱或中等，上部土层的承载力较低而下部土层的承载力较高以及地基会产生地震液化时，应用钢筋混凝土预制打入桩基的效果较好，其桩的入土深度根据土层条件和荷载大小确定；钻孔灌注桩的单桩承载力大，可以伸入到桩不易穿过的坚硬土层及轻亚粘土、粉细砂层等，但在饱和的土层中施工复杂，质量不易控制，只有在其他类型基础不适宜时才可采用这种基础形式。2.筏式基础：筏式基础是筒仓工程中应用最多的基础形式，它适应的地基范围非常广泛，一般用于容许承载力为14~35的地基上。对于直径为12米以上的筒仓，以地基容许承载力在18~25范围内应用较为经济，但在更高的荷载下筏式基础的应用就会受到限制。
二、无埋深梁-板-壳空间组合基础的特点：
以上各种类型的钢板仓基础的应用都有其局限性，而最近一种新型的基础形式逐渐被应用于实际工程中并取得了良好的效果。此种基础由中间略微凹陷的厚板和周围薄壳组成，薄壳与厚板相交处设置环形钢筋混凝土暗梁，由于上部结构的构造要求，此种基础必须外露于地表，故其埋置深度非常浅或为无埋深，如图所示。此种无埋深带暗梁的组合空间板壳基础，主要有以下几方面的特点：
首先采用了空间板壳组合结构基础，使基础结构从主要的受弯内力状态转为主要受薄膜内力即压弯的内力状态，可以使部分上部荷载转变为对混凝土的压应力，更好的发挥混凝土的抗压性能，从而提高整个基础的承载能力。
其次，上部结构荷载直接通过此基础传到地基土体上，使传力路径更加简洁，尽可能减少传力构件之间的刚度差异对整个结构变形及内力的影响。
设置暗梁对于板壳结构的裂缝产生和发展有非常好的约束作用：如果单纯采用倒锥形板壳基础，对于中部加载的情况，则壳体径向受拉应力，环向受压应力，试验表明壳体首先在板壳相交处出现环向裂缝，间断的环向裂缝随荷载的增加而不断扩大（加宽和加长），在此种情况下，基础中间厚板与外周圆环分为两部分工作，而导致地基反力向中间集中，使中间厚板所受地基反力不断增大，最后因环向的裂缝贯通而破坏。因此在板壳相交处设置刚度较大的环向暗梁，可以使厚板和薄壳两部分更好的连接成为整体，有效的减缓裂缝出现的时间和程度，明显改善整个基础结构的承载能力。
另外其它形式基础中常被挖掉的土胎，现在在薄壳内部与壳体组成一种“夹心”结构，而且板壳基础同土壤的接触面积较平面基础大、壳面弹性较好，这样可以使基础和地基更好的协同工作，对于基础的稳定、抵抗水平力、滑动和抵抗沉降的性能都有好处。
最后从施工工艺方面，将基础做成无埋深，可以充分利用土胎为模，从而很好的解决了壳体的模板问题，大大减少了模板工程量。【1】
三、基础数值分析方法的探讨：
在求解地基上板、壳基础及上部结构的静力和动力响应问题时，常用的有以下几类方法：
1.解析法：其基本思想是分别对板壳基础结构的控制方程和地基模式的控制方程解析的求解，然后再满足基础与地基接触面处的位移和应力的连续性条件和结构的边界条件，即可获得问题的全部解答。这种解法属于精确解法，一般对简单基础结构和均质地基可以通过此方法求得精确解，但对于基础结构和地质条件比较复杂的情况，用解析法求解几乎是不可能的，因为此时在数学处理上都是很困难的。2.数值解法：由于实际问题的复杂性，此类空间板壳基础更适合采用数值方法进行求解，而其中最常用的方法自然是有限元法。有限元軸对称薄壳理论如下：
在薄壳理论中，壳体内任一点的应变，根据Kirchhoff直法线假设，可通过中面的6个广义应变分量来描述，它们和中面位移的关系是【2】
（1-1）
其中是弧长s的切线和对称轴的夹角，是经向的曲率半径,r是平行圆的半径(即中面上任一点的径向坐标)。、和表示中面内的伸长和剪切，、和表示中面曲率和扭率的变化。当已知中面的6个广义应变分量以后，中面外任一点的应变可以表示为式中z是该点至中面的距离(沿法线方向测量)。
根据应力沿厚度方向呈线性变化的假设，壳体内任一点的应力可按下式计算，即: 其中t是壳体的厚度。
广义应力分量和广义应变分量之间的弹性关系是（1-2）
其中上标（m）和(b)分别表示薄膜状态和弯曲状态，具体是
壳体的应变能表达式是
上式表明壳体的应变能可以分解为薄膜状态和弯曲状态两部分。而系统的总势能表达式是其中—W是系统外力的势能。
如果轴对称壳体所承受的载荷以及壳体的支承条件都是轴对称的，则壳体的位移和变形也将是轴对称的。这时周向位移分量,经向和法向位移分量u和w仅是s的函数，进而应变分量，和内力分量，也将不再出现。现在（1-1）和(1-2)式将蜕化为
用有限元法进行数值分析时，通常采用直接法即将结构和土体同时进行有限元离散。在对土体进行离散时，通常将土体尺寸设置为基础的数倍，以致外界作用的响应不能到达土体的虚拟外部边界。基础与土的交界面上设置共同的节点，以保证相互作用位移的连续性。这种方法的优点是简单明了，特别是应用有限元软件计算时能同时输出全部的计算信息。【3】
另外，为了得到基础和上部结构有意义且可靠的信息，必须要考虑地基对基础及上部结构的影响，常用有下列两种线弹性地基计算模型：文科尔模型和弹性半空间模型。具体选择那种地基模型要根据各模型的特点和工程实际进行确定。
四、总结与展望：
从以上分析不难看出，此类基础具有其独特的技术特点，非常良好的应用前景。但此类基础直接承受上部结构的荷载，故对地基承载力的要求比较高，实际工程中经常需要进行有效的地基处理，一般要求处理后的地基承载力达到30,而相关规范中对高荷载下地基处理的方法和工艺不够明确，仍需作进一步探讨。另外处理之后地基刚度变大，与基础相比相差较大，故如何更好的实现基础与地基的协同工作、对地基刚度调平等仍是亟待解决的问题。
参考文献：【1】薄壳基础工程，科学出版社，北京，1975
【2】有限单元法，清华大学出版社，北京，2003
【3】黄义、何芳社，弹性地基上的梁、板、壳，科学出版社，北京，2005
Abstract: The article introduces the mechanical behavior and technology features of one new steel plate warehouse that is buried without depth and beam, board and shell space combination and discusses the selection of calculation analysis methods with summary and forecast based on potential problems.
关键词：钢板仓无埋深有限元协同工作
Key Words: steel plate warehouse, buried without depth finite element, coordinated work
中图分类号：TU249 文献标识码：B文章编号：2095-2104（2011）12-0000--02
一、常见钢板仓基础的形式及特点：
钢板仓作为一种新型的现代化仓型，具有工期短，标准化程度高，贮藏量大等特点，在粮食、水泥、化工、油脂等行业得到了越来越广泛地应用。钢板仓的基础除地下埋置部分外，还包括仓底和支撑结构，钢板仓根据仓型的不同，可分为平底仓和锥形仓，其支撑结构可选用砌体柱，钢筋混凝土筒壁等形式。 筒仓埋置于地下的基础，根据上部荷载及特性的不同，可选用以下两种常见形式：1.桩基础：又分为钢筋混凝土预制打入桩基础和钻孔灌注桩基础：当筒仓荷载大，地基土比较软弱或中等，上部土层的承载力较低而下部土层的承载力较高以及地基会产生地震液化时，应用钢筋混凝土预制打入桩基的效果较好，其桩的入土深度根据土层条件和荷载大小确定；钻孔灌注桩的单桩承载力大，可以伸入到桩不易穿过的坚硬土层及轻亚粘土、粉细砂层等，但在饱和的土层中施工复杂，质量不易控制，只有在其他类型基础不适宜时才可采用这种基础形式。2.筏式基础：筏式基础是筒仓工程中应用最多的基础形式，它适应的地基范围非常广泛，一般用于容许承载力为14~35的地基上。对于直径为12米以上的筒仓，以地基容许承载力在18~25范围内应用较为经济，但在更高的荷载下筏式基础的应用就会受到限制。
二、无埋深梁-板-壳空间组合基础的特点：
以上各种类型的钢板仓基础的应用都有其局限性，而最近一种新型的基础形式逐渐被应用于实际工程中并取得了良好的效果。此种基础由中间略微凹陷的厚板和周围薄壳组成，薄壳与厚板相交处设置环形钢筋混凝土暗梁，由于上部结构的构造要求，此种基础必须外露于地表，故其埋置深度非常浅或为无埋深，如图所示。此种无埋深带暗梁的组合空间板壳基础，主要有以下几方面的特点：
首先采用了空间板壳组合结构基础，使基础结构从主要的受弯内力状态转为主要受薄膜内力即压弯的内力状态，可以使部分上部荷载转变为对混凝土的压应力，更好的发挥混凝土的抗压性能，从而提高整个基础的承载能力。
其次，上部结构荷载直接通过此基础传到地基土体上，使传力路径更加简洁，尽可能减少传力构件之间的刚度差异对整个结构变形及内力的影响。
设置暗梁对于板壳结构的裂缝产生和发展有非常好的约束作用：如果单纯采用倒锥形板壳基础，对于中部加载的情况，则壳体径向受拉应力，环向受压应力，试验表明壳体首先在板壳相交处出现环向裂缝，间断的环向裂缝随荷载的增加而不断扩大（加宽和加长），在此种情况下，基础中间厚板与外周圆环分为两部分工作，而导致地基反力向中间集中，使中间厚板所受地基反力不断增大，最后因环向的裂缝贯通而破坏。因此在板壳相交处设置刚度较大的环向暗梁，可以使厚板和薄壳两部分更好的连接成为整体，有效的减缓裂缝出现的时间和程度，明显改善整个基础结构的承载能力。
另外其它形式基础中常被挖掉的土胎，现在在薄壳内部与壳体组成一种“夹心”结构，而且板壳基础同土壤的接触面积较平面基础大、壳面弹性较好，这样可以使基础和地基更好的协同工作，对于基础的稳定、抵抗水平力、滑动和抵抗沉降的性能都有好处。
最后从施工工艺方面，将基础做成无埋深，可以充分利用土胎为模，从而很好的解决了壳体的模板问题，大大减少了模板工程量。【1】
三、基础数值分析方法的探讨：
在求解地基上板、壳基础及上部结构的静力和动力响应问题时，常用的有以下几类方法：
1.解析法：其基本思想是分别对板壳基础结构的控制方程和地基模式的控制方程解析的求解，然后再满足基础与地基接触面处的位移和应力的连续性条件和结构的边界条件，即可获得问题的全部解答。这种解法属于精确解法，一般对简单基础结构和均质地基可以通过此方法求得精确解，但对于基础结构和地质条件比较复杂的情况，用解析法求解几乎是不可能的，因为此时在数学处理上都是很困难的。2.数值解法：由于实际问题的复杂性，此类空间板壳基础更适合采用数值方法进行求解，而其中最常用的方法自然是有限元法。有限元軸对称薄壳理论如下：
在薄壳理论中，壳体内任一点的应变，根据Kirchhoff直法线假设，可通过中面的6个广义应变分量来描述，它们和中面位移的关系是【2】
（1-1）
其中是弧长s的切线和对称轴的夹角，是经向的曲率半径,r是平行圆的半径(即中面上任一点的径向坐标)。、和表示中面内的伸长和剪切，、和表示中面曲率和扭率的变化。当已知中面的6个广义应变分量以后，中面外任一点的应变可以表示为式中z是该点至中面的距离(沿法线方向测量)。
根据应力沿厚度方向呈线性变化的假设，壳体内任一点的应力可按下式计算，即: 其中t是壳体的厚度。
广义应力分量和广义应变分量之间的弹性关系是（1-2）
其中上标（m）和(b)分别表示薄膜状态和弯曲状态，具体是
壳体的应变能表达式是
上式表明壳体的应变能可以分解为薄膜状态和弯曲状态两部分。而系统的总势能表达式是其中—W是系统外力的势能。
如果轴对称壳体所承受的载荷以及壳体的支承条件都是轴对称的，则壳体的位移和变形也将是轴对称的。这时周向位移分量,经向和法向位移分量u和w仅是s的函数，进而应变分量，和内力分量，也将不再出现。现在（1-1）和(1-2)式将蜕化为
用有限元法进行数值分析时，通常采用直接法即将结构和土体同时进行有限元离散。在对土体进行离散时，通常将土体尺寸设置为基础的数倍，以致外界作用的响应不能到达土体的虚拟外部边界。基础与土的交界面上设置共同的节点，以保证相互作用位移的连续性。这种方法的优点是简单明了，特别是应用有限元软件计算时能同时输出全部的计算信息。【3】
另外，为了得到基础和上部结构有意义且可靠的信息，必须要考虑地基对基础及上部结构的影响，常用有下列两种线弹性地基计算模型：文科尔模型和弹性半空间模型。具体选择那种地基模型要根据各模型的特点和工程实际进行确定。
四、总结与展望：
从以上分析不难看出，此类基础具有其独特的技术特点，非常良好的应用前景。但此类基础直接承受上部结构的荷载，故对地基承载力的要求比较高，实际工程中经常需要进行有效的地基处理，一般要求处理后的地基承载力达到30,而相关规范中对高荷载下地基处理的方法和工艺不够明确，仍需作进一步探讨。另外处理之后地基刚度变大，与基础相比相差较大，故如何更好的实现基础与地基的协同工作、对地基刚度调平等仍是亟待解决的问题。
参考文献：【1】薄壳基础工程，科学出版社，北京，1975
【2】有限单元法，清华大学出版社，北京，2003
【3】黄义、何芳社，弹性地基上的梁、板、壳，科学出版社，北京，2005