大型水泥廠結構設計要點及常見問題的處理方法

張 立

(合肥水泥研究設計院,合肥 230000)

大型水泥廠結構設計要點及常見問題的處理方法

張 立

(合肥水泥研究設計院,合肥 230000)

水泥廠廠房在水泥生產過程中受振動沖擊大,建筑物荷載高,生產過程溫度高且要承受一定的腐蝕,極易對建筑結構造成損壞。該文從大型水泥廠建筑結構設計的角度出發,簡述了大型水泥廠結構設計要點,并對大型水泥廠結構設計中的常見問題進行分析并提出相應的解決方案。

大型水泥廠; 結構設計; 常見問題; 處理方法

隨著我國經濟的騰飛,經濟建設的速度明顯加快。作為工程建設基礎材料的水泥,其消費量也日漸增加。在經濟全球化大背景下,相關統計數據表明全球水泥產量已突破20億t,并仍在以每年2 000萬t的速度增長,而中國的水泥產量已占全球總產量的50%左右。在全國范圍內,新建、改建、擴建水泥廠的項目日漸增多,為達到建設目標并保證水泥產品的質量,相關從業人員在不斷改進水泥生產工藝的同時,對水泥廠相關建筑的結構設計也提出了相應要求。該文從水泥廠建筑結構設計的角度出發,對大型水泥廠結構設計中的常見問題進行了分析并提出相應的解決方案,以供同行討論。

1 大型水泥廠結構設計流程

水泥產品的生產從生產工藝上來說,其工藝流程相對復雜,可簡單概述為:礦石開采及加工(破碎或粉磨)、煅燒,熟料的加工、粉磨,成品散裝、包裝等幾個方面。水泥廠建筑從建筑結構上分析主要包括堆場,配料庫,存儲庫,包裝廠房等,其廠房形式多種多樣,主要為單層、多層廠房,砌體結構,筒倉,桁架等。上述生產廠房除滿足相應的使用功能外,還要求能承受一定的荷載,抵御一定的腐蝕性。水泥廠的車間由于受使用功能的限制,常給人以簡陋和呆板的印象,其生產過程所排放的大量粉塵更是嚴重影響了相關區域的環境及當地居民的生活質量。為此,在結構設計過程中,除注重相應的使用功能外也應特別注意建筑結構的實際使用效果。

大型水泥廠結構設計過程大致可以分為3個階段:建筑結構方案設計階段,建筑結構計算階段和建筑結構施工圖設計階段。

1.1 建筑結構方案設計階段

首先根據水泥廠的設計任務書及水泥廠建筑結構的重要性程度,結合水泥廠建筑結構所在地的抗震設防烈度、建筑結構所在地的工程地質勘查報告來確定水泥廠結構的結構形式,即是采用單層廠房結構還是砌體結構或者鋼結構等基礎形式等等,在此基礎上確定廠房建筑的高度和層數。在確定建筑結構形式的基礎上,根據水泥廠房建筑的特點和相應建筑規范布置水泥廠房結構的主要承重構件和受力構件。

1.2 建筑結構計算階段

在建筑結構的計算階段,首先應對荷載進行計算。其荷載可簡單分為外部荷載和內部荷載。外部荷載包括雨雪荷載、風荷載、地震荷載等,內部荷載包括廠房結構恒載、設備荷載、裝飾荷載等。上述荷載應根據相應規范要求采用不同的組合系數及準永久系數,從而對不同工況進行組合運算。

其次,應對構件進行試算。在上一步的基礎上,根據計算得到的荷載設計值及構造要求,使用計算手冊上的計算方法初步確定主要受力構件的截面尺寸。在此基礎上,計算結構所受的彎矩、剪力、扭矩等應力及應變。

最后,應對構件進行計算并復核。根據上述步驟得到的應力條件,校驗其是否符合規范的相應條件及構造要求。如不滿足條件,需調整構件尺寸直至達到規范要求為止。

1.3 建筑結構施工圖設計階段

此階段需要將上述所得的計算結果完整清晰的表述在施工圖紙上,其最終成果應包含基礎平面圖、基礎詳圖、各樓層平面圖、配筋圖、輸送廊詳圖等。施工圖既應滿足相應的規范計算要求,又要符合最基本的構造要求,同時在一定程度上需要考慮施工過程中的具體可操作性,也只有滿足上述條件的施工圖紙才能滿足施工過程中的各項要求。

2 大型水泥廠結構設計要點

2.1 吊掛構件設計要點

吊掛構件包括:吊掛漏斗、吊掛平臺、吊掛支架、吊掛設備軌道等。針對吊掛構件進行結構設計時務必注意以下兩點:

1)針對不同部位的連接節點,首先必須嚴格計算確保連接節點的安全性,即需考慮結構構件在實際施工過程中所受的溫度荷載、振動荷載等其他不利荷載。對構件與埋件的連接節點處更應高度重視其連接的可靠性,確保連接節點的力學特性。

2)針對預埋受拉構件也要進行嚴格計算,在錨固措施滿足構造要求的前提下確保連接安全可靠。在條件允許的情況下還應對錨筋、錨板進行核算。

2.2 懸臂構件結構設計要點

懸臂構件包括:懸臂梁、板、柱等。針對懸臂構件進行結構設計時務必注意以下幾點:

1)確保構件的穩定性。考慮到懸臂構件受到振動等不利荷載的影響,在保證建筑構件安全性的基礎上,務必采用有效措施保證懸臂構件的側向穩定性。

2)鋼筋混凝土懸臂梁下部鋼筋宜采用受拉錨固,在一定條件下可適當加強,以抵御實際施工和使用過程中可能出現的下部受拉荷載。

3)懸臂構件上不宜放置任何形式的振動設備,對長懸臂構件在進行結構設計計算時應考慮8度以上的地震影響。

2.3 輸送頭尾輪處建筑結構設計要點

在建筑結構計算階段,應注意輸送機頭尾輪處受力埋件及其受力設備基礎的受力狀態,其應包括:頭尾輪處受力埋件、受力設備基礎、受力支墩、拉鏈機基礎、膠帶翻轉裝置的拉力支墩等。在對此類構件進行結構設計時務必注意以下幾點:

1)對受力預埋構件務必合理計算其受力狀態,保證構件本身的安全性,并在一定程度上保證構件連接處的可靠性(必要條件下可對其進行核算)。

2)對于樓板上受力設備的基礎或者其支墩結構,設計時應按其受力狀態進行抗彎抗壓計算,并在圖紙中清晰的表述其配筋量,并要求其與樓板一起整體澆筑以期更好的參與樓板受力。

3)對于樓板上受力設備的基礎或者其支墩結構除應進行上述2)中的計算外,還應特別注意對其進行抗傾覆和抗滑驗算。

4)在對熟料庫拉鏈機基礎進行計算時,考慮到其所受拉力較大,設計時務必保證加大框架高度,以期在一定程度上控制其側向位移。

2.4 控制相鄰車間的位置關系

1)相鄰車間基礎間的位置關系。窯尾提升機地坑不要與生料庫基礎相碰。窯頭冷卻機地坑不要與窯墩基礎相碰。廢氣處理各部分之間基礎不要相碰等。

2)相鄰車間上部構件的位置關系。窯中走道平臺不要與窯頭梁相碰等。

3)輸送天橋與車間的位置關系。輸送桁架牛腿、埋件等處于另一車間不要遺漏,且標高位置應核對準確。在車間附近,除特殊條件外,一般不另立支架,改用牛腿支承。

2.5 控制輸送支架與道路的關系

1)支架位置應避開道路,并與總圖專業確認。支架位置還應考慮路邊排水溝等設施。

2)道路上面應有足夠的凈空。

3)即使不在道路處,輸送桁架離地面不宜太低。當輸送標高較低時,不宜采用大跨度鋼桁架。

2.6 控制主要設備基礎、螺栓孔及孔洞定位

1)所有設備基礎孔洞的定位中心線。應標注明確,注明中心線名稱。

2)窯、磨等大型設備基礎。其布置圖和詳圖的螺栓孔平面圖應嚴格按比例、按規定繪制,螺栓孔不允許簡化表示。

3)設備基礎上的螺栓孔。其定位應按工藝尺寸標注,不宜進行換算,也不宜增加分尺寸。

4)孔洞的邊梁。條件許可時,孔洞處的梁盡量距離洞邊一定距離。

3 大型水泥廠結構設計中的常見問題及解決辦法

從水泥生產的工藝流程可以看出水泥的生產過程具有下述特點:生產過程中的振動沖擊較大,建筑所受荷載較大,生產過程中的溫度較高并具有相當程度的腐蝕性。水泥產品生產過程中的上述特點決定了水泥廠建筑結構必須能夠承受較大的振動與沖擊作用,能承受較大的荷載,能夠承受生產過程中巨大的熱量輻射,同時在一定程度上抵御生產過程中副產品的腐蝕性。根據水泥生產過程中的上述特點,該文對水泥廠建筑與結構設計中的常見問題做了簡單的初步討論。

通過對已建成的水泥廠房的調查,并結合相關研究資料,發現規模較大水泥廠在結構設計方面存在普遍性問題,具體表現如下:

1)因溫度荷載作用,靠近高溫設備的混凝土構件(梁、板、柱)極易發生破壞。

2)動力設備附近因其振動較嚴重,設備基礎構件損壞嚴重,樓面設施也有一定程度的損壞。

3)在堆場、堆棚、成品庫等廠房內因堆積物荷載較大造成地面沉降不均勻。

4)磚筒倉開裂,鋼筒倉整體傾斜。

5)成懸臂狀態的混凝土雨棚被壓壞。

上述問題在一定程度上普遍存在,究其成因,絕大部分為在結構設計過程中沒有充分考慮建筑物構件的實際受力狀態。因對建筑物構件的荷載不明確而未對雨棚、鋼筒倉、磚筒倉等做相應的防范措施,這必將影響水泥生產過程。在一定條件下,甚至會對水泥生產企業造成不可挽回的經濟損失。

通過對上述問題的分析,結合相應的施工設計經驗,該文得出以下幾點經驗,以期避免水泥廠生產過程中的構件病害:

1)在腐蝕性較高的廠房內,建筑構件不宜使用厚度小于6 cm的薄壁構件,混凝土結構的保護層厚度也應低于30 mm。由于廠房內生產工藝的腐蝕性環境對混凝土結構的耐久性提出了較高的要求,因此要十分注意控制建筑構件的裂縫寬度。

2)在特殊情況下可將建筑結構上部的懸挑鋼平臺作為操作平臺,其能有效的減小建筑結構的跨度。同時,將建筑結構上部的懸挑鋼平臺作為操作平臺也可減少建筑結構的層數。

3)在適當情況下,可將建筑結構上部的懸挑平臺作為提升機和其他建筑生產設備的檢修平臺。其不僅可以在不增加結構跨度的前提下保證生產設備的可操控性,從建筑結構受力角度分析還能有效減少框架結構中主梁的跨中彎矩值,進而可減小梁的截面高度,保證在不增加建筑層數的前提下獲得足夠的操作空間。

4 結 語

該文從建筑結構設計出發,簡要闡述了大型水泥廠結構設計要點,并在相關調研基礎上總結了水泥廠結構設計中的常見問題及相應的解決方法,以保證水泥廠的正常使用及水泥生產的安全性和經濟性。同時,廣大施工設計人員應認真學習相應規范和施工技術,提高自身專業能力,認真負責的完成屋面工程的建設工作,以期更好地為我國社會主義現代化建設服務。

[1] GB 50010—2010,混凝土結構設計規范[S].

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Features of Structural Design and Treatment of Common Problems in Large-scale Cement Plant

ZHANG Li
(HeFei Cement Research&Design Institute,Hefei 230000,China)

During the production process of the cement vibration of the equipment is large,the dead load of the building is high,the ambient temperature is high and there is some corrosion at the same time,which can easily cause damage to the building structures.As to the design of large-scale cement plant,we discuss the features of structural design in the first part of the article.In the latter part we discuss the treatment of common problems of large-scale cement plant and analysis its causes.

large-scale cement plant; structural design; common problems;treatment

2014-06-08.

張 立(1981-),工程師.E-mail:41534139@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.017