硅業工業硅電爐車間的建筑結構設計

崔 莉，丁國寶

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

硅業工業硅電爐車間的建筑結構設計

崔 莉，丁國寶

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

在工業項目中電爐車間的設計均存在有大跨度、重荷載、高溫等情況。闡述了設計工作中采取的一些措施，以加強和改善結構的受力性能，保證結構的可靠度。

鋼筋混凝土;鋼結構;結構安全

0 引言

云南永昌硅業股份有限公司5萬t/a工業硅項目于2007年8月開始設計，2008年7月電爐投產，電爐車間為該項目最重要的設計子項。電爐車間配置了3臺25.5 MVA的大型工業硅電爐。車間長102.7 m，寬 76.5 m，有標高2.8 m、7.5 m、12 m、18 m、24.5 m、34.7 m 6 個樓層。該車間在電爐處跨度較大，橫向跨度為15 m，縱向跨度為18 m;地震烈度較高，為8度;設計地震加速度為0.3 g;場地類別為二類，框架抗震等級為一級，建筑抗震設防類別為丙類;在3層樓面標高12 m處每臺電爐配置有3臺荷載為400 kN的電爐變壓器。輻射溫度高，地面一層，二層由于受電爐產出的工業硅熔體熱輻射的影響，建筑及結構需要進行隔熱及耐高溫處理，經過工程組設計人員的不懈努力，成功地解決了該車間的諸多設計難點。從2008年建成投產至今，使用效果良好。

1 建筑設計

該建筑物體量龐大，電爐車間具有高溫的特點。外立面墻體主體車間在標高2.8 m以下采用實心磚墻，外刷灰色外墻涂料，以上為灰白色單層鋼彩板;附跨澆鑄車間在標高5 m以下采用實心磚墻，外刷灰色外墻涂料，以上為灰白色單層鋼彩板。整個建筑給人自然、清涼之感。

為滿足防火規范的相關要求，該建筑充分考慮了防火分區。

為了解決電爐周圍的高熱輻射對結構的不利影響，經過縝密計算保溫隔熱層的厚度，解決了混凝土的耐久性問題。

對于樓面板的隔熱問題，則采取了鋪砌耐火磚的辦法加以解決。

2 基礎設計

(1)地層巖性

根據鉆探揭露及場地大面積開挖，結合初勘及地震剪切波速測試等資料綜合分析，該場地底層等古生代變質混合巖，混合巖化片麻巖。該巖體成分復雜，主要為砂巖、板巖、泥巖及頁巖，其次為石英巖、長石石英砂巖、硅質巖、花崗巖及灰巖等。地層尚保存有明顯的沉積，韻律及微層理等特征，顯然為一套淺海相沉積碎屑。同時，在挖方的斷面上能清楚的看到各種巖石大小不同的形狀，有中粗砂、粉細砂、也有礫碎石、卵石、塊石及漂石。粒徑不等，雖然風化較強，但形狀還在。例如花崗巖塊，能見到未被風化的英石砂范圍，特別是石英巖，Φ為0.4～2.0 m以上的塊石、漂石尚未被風化。上述這些碎石、卵石、塊石及漂石均被鋼化、強風化的砂巖、板巖、泥巖及頁巖膠結。在該套地層中，由于時代久遠，加之巖體成分復雜，對風化帶的劃分比較困難，上部全風化帶中，包含有強風化帶，而在中下部強風化及中等風化帶中，也常含有全風化帶。

(2)水文地質條件

該場地主要為地表水。因在干旱季節施工，加之地下水埋藏較深，據各鉆孔揭露，均未見到地下水。故該場地可視為干燥場地。

(3)基礎方案的確定

根據勘察報告揭示的地質情況及建議，結合該工程柱底荷載較大及地下水埋藏較深的特性，通過方案比較，選定了人工挖孔樁的基礎方案;該方案造價較為低廉，經濟指標較好，且能適應當地的勞動生產力水平。但是，對于勘察單位給出的人工挖孔樁樁端極限阻力標準值f=1 900 kPa，有關設計人員經過認真討論綜合分析，認為取值偏低，與實際情況出入較大。若按此值設計過于保守，將給業主造成不必要的浪費。根據層土的特性，其人工挖孔樁的樁端極限阻力標準值應該不低于4 000 kPa;通過與有關人員溝通，做了樁端阻力的深層載荷板試驗，結果表明，其人工挖孔樁的樁端極限阻力標準值達到了4 200 kPa。由于樁端極限阻力標準值的大大提高，有效地縮小了樁身直徑及擴底面積，從而大大地減小了混凝土的用量，為業主節省了投資，取得了較好的經濟效益，見表1。

表1 不同樁端極限承載力特征值下樁徑的比較Tab.1 Comparison of Pile Diameters under Eigenvalue of Ultimate Bearing Capacity at Different Pile Ends

3 上部結構設計

在上部結構的設計過程中，在結構的選型上，比較了鋼結構和鋼筋混凝土結構2種型式。鋼結構有利抗高溫、高熱，造價較高，混凝土結構在耐高溫、高熱中，施工難度較大，但造價較低，經濟指標好。本著為業主節約投資的思路，主體結構選定了經濟指標較好的鋼筋混凝土結構。其中，在熱輻射較大、荷載較小的標高2.8 m操作平臺則采用鋼結構。在鋼筋混凝土結構的較大跨度計算過程中，反復試算，逐漸加大梁高，使其既能保證結構安全，又節約成本。

標高12 m樓層中有2臺電爐變壓器，荷重較大。設備安裝時須經過樓面的大部分通道，若按通常計算，只需在變壓器安裝時所經路線上布置荷載即可。但是，這可能會造成地震力的加大，從而導致框架柱截面及框架梁的加大，造成浪費。為了取得較好的經濟指標，雖然設計工作量增加不少，我們還是在不利位置布置荷載，經多次計算，使梁柱設計經濟合理。

由于工藝需要設置操作平臺，標高24.5 m樓層中設置了托柱轉換梁。托柱轉換梁的受力較為復雜，在托柱部位的框架梁承受了較大的剪力和彎矩。此框架梁處均作了加強處理，按照規范要求，加寬了梁截面，計算時加大了剪力，配筋時加大了箍筋的配置及上下縱向鋼筋的配置。且在托柱位置設置了正交方向的框架梁或樓面梁。從而保證了托柱轉換梁的安全可靠。

4 結構超長處理

由于該工程結構長度為102.7 m，按照規范規定，現澆式框架結構的容許長度為55 m，屬超長結構;且該建筑物內受電爐的熱輻射較大。若不設縫，僅靠設置后澆帶、加強配筋。一是不可靠，二是會造成梁、柱截面的加大，配筋也會大幅度增加，不經濟。因此，在縱向⑦～⑧線及○13～○15處設置了伸縮縫。伸縮縫的長度比規范規定的略短。較好地解決了大氣溫度及車間內部產生的高溫對結構的不利影響。

5 保溫隔熱的設計

根據工藝要求，電爐在基礎、標高2.8 m及7.5 m處有熱輻射，鑒于此，設計電爐基礎時，基礎材料采用了耐熱混凝土。如前所述，標高2.8 m樓層由于溫度較高，荷載較輕，采用了鋼結構，并在高溫輻射范圍內加以保溫處理;標高7.5 m處采用鋼筋混凝土，其中電爐附近的梁混凝土為耐熱混凝土，熱輻射較高的區域則采取保溫隔熱措施，取得了較好的使用效果。

6 結語

該工程在一期2×12.5 MVA硅鐵電爐車間及2×25.5硅鐵電爐車間的設計基礎上，不斷完善，達到了預期的使用目的，取得了良好的經濟效益。

Building Structure Design of Electric Furnace Shop for Industrial Silicon

CUI Li，DING Guo－ bao
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

During the design of an electric furnace shop in the industrial projects，there are some cases such as large－ span，heavy load，high temperature and so on.Some measures which were taken in the design to strengthen and improve the mechanical behavior of structure and assure its structural reliability were expounded.

Reinforced concrete;steel structure;safety of structure

TU375

A

1004－2660(2011)04－0017－02

2011－05－06.

崔莉(1975－)，女，云南人，工程師.主要研究方向:建筑結構設計.