水泥廠窯尾結構的設計方法及控制因素

張 立

(合肥水泥研究設計院,合肥 230000)

水泥廠窯尾結構的設計方法及控制因素

張 立

(合肥水泥研究設計院,合肥 230000)

隨著我國經濟建設的發展,水泥廠窯尾結構在全國范圍內被廣泛采用。窯尾結構平面尺寸小、層高大、建筑結構高、建筑荷載大,其結構設計計算無專門規范作為依據。該文詳盡分析了窯尾結構的優缺點,針對窯尾結構中的基礎設計和構件設計,從安全性和經濟性考慮給出了其設計思路與方法。

水泥廠; 窯尾結構; 設計; 控制因素

我國目前仍處于工程建設的高速發展期,基礎建設規模堪稱世界第一。水泥作為工程建設的主要材料,其工程需求量與日俱增,其供求關系刺激著我國水泥廠工業的發展和壯大。水泥廠窯尾結構是目前新型干法水泥廠的核心工程,也是建筑高度大、結構荷載高的特種建筑結構。規模較小的水泥廠常將窯尾結構設計成多層混凝土框架結構,但隨著水泥廠生產規模的壯大,結構高度越來越大,個別工程中其高度甚至都超過了百米。與此同時,窯尾結構由于平面尺寸的限制,普通的鋼筋混凝土框架結構顯然已無法滿足其安全性要求,而剪力墻框架結構又往往不能滿足其使用功能的要求,因此現代水泥廠窯尾結構建設中常采用鋼結構作為其主要承重構件。采用鋼結構的水泥廠窯尾工程可以保證設備安裝的簡易性和經濟性,其已成為規模為2 000 t/d的水泥廠窯尾結構的主要形式。

1 水泥廠窯尾結構概述及其優缺點

1.1 水泥廠窯尾結構概述

水泥廠窯尾結構為既高又柔的塔類重工業建筑,其具體表現為:

1)整個結構的高寬比均大于5.0。

2)樓層層高大,往往在6.6～20.2 m。

3)層間柱高度大。少量柱由于結構平面布置和設備等原因造成框架梁拉不通,以致局部框架結構不成立,造成單層柱高度大于20 m。

4)框架梁跨度大,其跨度集中在8～18 m。

此外,由于建筑使用功能的限制,樓面開孔率和開孔面積往往得不到保證,極易造成部分樓層剩下的樓面面積不足。同時,鋼結構樓面往往由焊接工字梁、型鋼及上鋪鋼板組成,上鋪鋼板的厚度一般情況下不大于6 mm,極易導致除混凝土樓面板外的其它樓面剛度不足。

1.2 水泥廠窯尾結構的特性及主要優點

水泥廠窯尾結構區別于水泥廠一般建筑的主要特點表現在:

1)平面尺寸小,結構總高度和層高大。以實際工程中常見的規模為1 500 t/d的水泥廠為例,窯尾結構的平面尺寸往往被限制在11 m×11 m范圍內,高度達60 m左右,最大層高可達10 m。

2)建筑荷載大。水泥廠窯尾結構按照水泥的生產工藝要求一般采用4柱式框架結構,每根柱子所承受的設計荷載達到了1 000 t以上,樓面活載設計值達到了5 k N/m2左右。

作為規模為2 000 t/d的水泥廠結構的主要形式,窯尾結構優勢明顯,主要表現在下述幾個方面:

1)承載力較高,經濟效益較好。相關文獻研究和工程實踐都表明,在承載力相同的條件下,窯尾結構與普通水泥廠結構相比可大量節省鋼材和混凝土的用量。在采用鋼管混凝土柱的前提下,窯尾結構可明顯降低造價,同時還能有效減少結構建設中的焊接工作量。

2)抗震性能好,抗側向變形能力出眾。窯尾結構柱由于采用混凝土或者鋼結構的框架形式,其截面慣性矩在各個方向上差異不大,這就對地震荷載或風荷載起到有效的抵抗作用。同時,由于其截面慣性矩在各個方向上差異不大,其抵抗側向變形的能力也十分優異。

3)施工方便。由于窯尾結構中鋼構件比例較大,可有效的減少混凝土的澆筑量,這就使窯尾結構在實際工程中的施工進度得到了保障。

1.3 水泥廠窯尾結構設計中的常見問題

通過上述分析可知,水泥廠窯尾結構作為一種特殊的重工業廠房結構,其設計施工過程中尚沒有出現一種專門規范作為其設計施工的依據。對于此類復雜的空間受力結構,設計師往往采用有限元法進行結構設計、計算和校核。在結構設計計算中,由于水泥廠窯尾結構受力體系因為生產工藝和設備的影響較大,其主要受力構件布置復雜,水泥廠窯尾結構設計計算的準確性往往得不到保證。同時,由于施工過程的復雜性和施工質量的不確定性,窯尾結構設計計算時結構的連接形式和實際結構往往差異較大,其直接影響了水泥廠窯尾結構設計計算的準確性。

目前,在水泥廠窯尾結構的設計計算中往往假定其樓板平面剛度較大,而忽略其平面變形。在實際工程中,通過上文簡述可知,窯尾結構的工作平臺通常由厚度為6 mm的鋼板鋪設而成,在樓面大量開孔(工藝設備要求)的情況下,其剛度往往得不到有效保證,直接造成了設計計算分析與實際工程施工的差異。

在水泥廠窯尾結構的設計過程中,荷載的合理性對設計結構分析具有重要影響。水泥廠窯尾結構除承受機構自重和設備自重外,還要承受物料荷載、平臺荷載、風荷載、地震荷載等,而物料荷載、平臺荷載、風荷載、地震荷載組合系數的選取對水泥廠窯尾結構的分析影響重大。如何考慮可變荷載的組合系數是水泥廠結構設計中的一個難題。

水泥廠窯尾結構由于其建筑高度較大,風荷載的取值及其作用方式對結構的安全性有較大程度影響。窯尾結構上安裝有大量生產性設備,設備尺寸和高度均較大且基本都是金屬結構。窯尾結構設計時并未考慮設備的安裝布置情況,因此在使用過程中不能把設備作為建筑結構的一部分參與受力,但一旦考慮到風荷載對建筑結構作用的面積時,又往往需要考慮設備尺寸帶來的影響。此外,風荷載的作用方式也往往區別于一般房屋結構。在工程實踐中,風荷載往往直接作用在金屬設備上,其特殊作用方式也應在窯尾結構設計中有所體現。同時,由于窯尾結構平面尺寸小、結構高度大、荷載較高等原因,在考慮風荷載、地震作用時,不同于一般建筑構造,應考慮結構的大變形效應。此外,水泥廠窯尾結構在動力荷載下的響應也是結構設計不可忽略的一部分,如同地震荷載對窯尾結構的影響一樣,都是此類建筑結構研究的重點。

2 水泥廠窯尾結構設計要點

針對窯尾結構的上述特點,對窯尾結構進行合理選型是結構設計優化的重點。在一定程度上,窯尾結構平臺梁的設計優化要點在于生產工藝和設備的選擇。針對不同規模的水泥廠窯尾結構,其框架平臺梁布置方式也會不同,務必有效保證材料的合理使用及其安全性。因此,水泥廠窯尾結構設計的重點就集中在結構基礎設計和構件設計上。

2.1 水泥廠窯尾結構基礎設計

水泥廠窯尾結構的基礎形式主要取決于柱底受力狀態和當地的地質條件。在確保滿足相應規范的前提下,綜合考慮施工難易程度和工程造價等因素,保證窯尾結構不發生沉降和過大傾斜,滿足其正常使用極限要求。

首先,窯尾結構應選用能滿足建筑物地基承載力的基礎形式,其結構允許變形也應滿足相應條件。當地質狀況較差時,必須采用整體性良好并能抵抗地基不均勻沉降的基礎形式。當然,若地質狀況良好,在滿足地基承載力和變形要求的情況下,窯尾結構可采用筏型基礎或箱型基礎形式;當地基承載力和變形不滿足相應要求時,可采用樁基礎形式。

窯尾結構為高柔建筑,基底易出現拉應力,或者底樁出現上拔力。采用天然地基基礎,高寬比大于4時,基礎底面不宜出現零應力區;高寬比不大于4時,基礎底面與地基之間零應力區面積不應超過基礎底面面積的15%;采用樁基礎時,單樁的抗拔力應滿足計算要求。

窯尾塔架基礎應有一定的埋置深度。在確定埋置深度時,應考慮其高度、體型、地基土質、抗震設防烈度等因素。當采用巖石地基或采取有效措施時,在滿足地基承載力、穩定性要求及基礎底面不出現零應力區的前提下,基礎埋深可不受此限制。當地基可能產生滑移時,應采取有效的抗滑移措施。樁基可采用灌注樁、鋼筋混凝土預制樁或鋼樁。樁基承臺可選用:柱下單獨承臺、雙向交叉梁、筏形承臺、箱形承臺。樁基選擇和承臺設計應根據上部結構類型、荷載大小、樁穿越的土層、樁端持力層土類、地下水位、施工條件和經驗、制樁材料供應條件等因素綜合考慮,做到技術先進、經濟合理,確保工程質量。在實際工程中,采用灌注普遍的天然地基作為獨立基礎,條形基礎和交叉梁基礎的樁基一般為大直徑樁基礎。

窯尾塔架柱底內力大,一般采用剛性連接柱腳。混凝土柱的柱腳采用現澆的剛性柱腳。鋼管混凝土柱或鋼柱的柱腳形式較多,杯口插入式柱腳、外露式柱腳、外包式柱腳和埋入式柱腳在實際工程中都有應用,主要結合柱斷面形式、受力特點、工程施工、經濟指標等方面綜合考慮后計算確定。鋼管混凝土柱腳一般采用外包式柱腳,鋼柱腳采用外露式柱腳較多,其它柱腳形式也在小部分工程中采用。

2.2 水泥廠窯尾結構構件設計

窯尾結構構件的選型包括梁、板、柱及水平和縱向支撐的選型及連接方式的選型等。

梁結構常采用鋼梁,截面一般采用工字鋼梁或者型鋼梁。根據工程需要及構件受力狀態,有時也采用箱型梁截面的鋼梁。在跨度較大、跨中彎矩及支撐處設立過大的條件下,為滿足承載力要求和正常使用極限狀態的要求,也會采用慣性矩較大的工字型鋼梁或采用存在鋼板加勁肋的型鋼梁。此外,根據施工條件及生產條件,綜合考慮經濟因素,工程中還常常在一個平面內采用多種形式的梁型,從而進一步滿足施工設計條件,更好的為水泥生產服務。

工程實踐中,窯尾結構平臺鋪設常采用花紋鋼板,其平面剛度往往得不到有效保障,結構設計中只能將其視為彈性樓板。當然,花紋鋼板樓板施工制造方便,其施工周期短的優點十分顯著。窯尾結構平面也可采用鋪壓型鋼板,再在其上澆筑鋼筋混凝土板以進一步增強平面內有效剛度。此種類型的樓板單元防水防噪音效果良好,其平面剛度一般可滿足結構要求,但在施工過程中要設置大量鉚釘,造成施工周期較長。就窯尾結構而言,花紋鋼板樓板可滿足其防水隔聲要求,其安全性也能得到一定保證,故已成為窯尾結構的主要鋪板方式。

窯尾結構中柱的形式多種多樣,較常采用鋼管混凝土型鋼柱、H型鋼柱,因結構受力要求,較少采用鋼管柱、工字鋼柱和普通型鋼柱。其中鋼管混凝土柱較其它形式柱優點明顯,其構件承載能力高、鋼材用量少、剛度大、側向剛度大等。基于此種特點,鋼管混凝土柱廣泛應用于水泥廠窯尾結構中。

窯尾結構的柱間支撐常選用人字支撐、八字支撐、單斜桿支撐、倒人字支撐或倒八字支撐的剛架結構體系,此類型支撐體系由鋼管組成,結構形式簡單明了,以達到經濟和美觀的效果。H型鋼柱和工字鋼柱的柱間支撐宜采用如雙角鋼、方鋼管等小桿件組成的十字支撐或米字支撐的側向剛度體系。當結構抗震要求較高時(地震設防烈度大于8),務必采用偏心支撐的抗側力柱間支撐體系,以保護結構并耗散地震能量。

3 結 語

作為新型干法水泥廠的核心建筑,窯尾結構設計的安全性和合理性影響意義重大。該文簡要介紹了水泥廠窯尾結構的主要特點,詳盡分析了窯尾結構的優缺點。在此基礎上結合工程實踐,詳細闡述了水泥廠窯尾結構設計中的控制因素。針對窯尾結構中的基礎設計和構件設計,從安全性和經濟性考慮給出了其設計思路與應用方法,以期同廣大設計人員共同討論提高。

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[4] 張 帆.水泥廠窯尾結構體系的性能與設計研究[D].南京:河海大學,2004.

Design Methods and Controlling Factors of Cement Kiln Structures

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

With the development of China's economy and construction,cement kiln structure is widely used in the country.Kiln structure works as a high-rise industrial buildings,has a facet size and big load.The design and calculations of kiln structure base on non-specialized building code.This paper analyzes the strengths and weaknesses of the kiln structure in detail,and from the safety and economic considerations gives its design ideas and methods for kiln structure foundation design and component design.

cement; kiln structures; design; controllingfactors

2014-05-17.

張 立(1981-),工程師.E-mail:41534139@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.018