60m直徑水泥熟料庫庫頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

余貞江　葉暉

摘? 要：直徑60m水泥熟料庫庫頂鋼結(jié)構(gòu)采用雙層螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，文章介紹了該網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)選型，荷載、材料、設(shè)計參數(shù)的確定，以及彈簧支座的選取。并對該網(wǎng)架進(jìn)行了靜力分析和動力分析，探討了拉鏈機(jī)荷載、熟料溫度荷載、設(shè)備振動等問題對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響，為該類型的網(wǎng)架設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：大直徑熟料庫庫頂網(wǎng)架;溫度荷載;設(shè)備振動;彈簧支座

中圖分類號：TU356 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）06-0088-03

Abstract： The steel structure at the top of 60m diameter cement clinker storehouse adopts double-layer bolted ball joint grid structure. This paper introduces the structure selection of the grid， the determination of load， material， design parameters and the selection of spring support. The static and dynamic analysis of the grid is carried out， and the effects of zipper machine load， clinker temperature load and equipment vibration on the grid structure are discussed， which provides a reference for the design of this type of grid.

Keywords： large diameter clinker storehouse roof grid; temperature load; equipment vibration; spring support

引言

熟料庫是新型干法水泥生產(chǎn)線儲存水泥熟料的大直徑筒倉庫，如圖1所示。其底部為混凝土筒倉結(jié)構(gòu)，庫頂為鋼結(jié)構(gòu)屋蓋和庫頂房，水泥熟料通過鋼廊道里面的拉鏈機(jī)從燒成窯頭輸送至熟料庫頂，再從庫頂下料口落入庫中儲存。庫頂鋼結(jié)構(gòu)常用兩種結(jié)構(gòu)形式：鋼桁架結(jié)構(gòu)和鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。由于鋼桁架方案用鋼量大，安裝施工困難，且對庫壁作用荷載較大，目前已較少在實(shí)際工程中采用[1]。庫頂屋蓋除了作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，還要承受庫頂拉鏈機(jī)傳動裝置荷載、鋼廊道荷載、庫頂其他設(shè)備載荷以及設(shè)備的振動荷載，受力復(fù)雜，不能按一般意義的屋蓋設(shè)計。本文較詳細(xì)的論述了60m熟料庫庫頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要注意的問題，為大直徑熟料庫庫頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

1 鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架選型

熟料庫庫頂鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架工藝條件如圖2所示。根據(jù)工藝條件庫頂網(wǎng)架采用圓臺形狀，落置于混凝土筒倉倉壁環(huán)梁上，標(biāo)高約26m。庫頂網(wǎng)架采用雙層正放四角錐形結(jié)構(gòu)，螺栓球節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)架下部設(shè)48個支座，支座中心直徑60m，上部平臺直徑15m，整個網(wǎng)架高度為17.0m，厚度2.0m，計算模型見圖3所示。網(wǎng)架上部設(shè)鋼平臺，采用H型鋼梁組成，頂標(biāo)高44.70m，通過16個支點(diǎn)支撐于庫頂網(wǎng)架上。

2 設(shè)計條件

2.1 荷載

（1）恒荷載：主要包括拉鏈機(jī)輸送廊道桁架及檢修桁架恒荷載，庫頂平臺恒荷載，庫頂風(fēng)機(jī)及收塵器等設(shè)備恒荷載，網(wǎng)架及庫頂房自重。（2）活荷載：主要包括拉鏈機(jī)機(jī)頭、風(fēng)機(jī)和收塵器等設(shè)備的運(yùn)行荷載，拉鏈機(jī)輸送廊道桁架及檢修桁架活荷載，庫頂房單軌吊集中荷載，網(wǎng)架屋面、庫頂平臺和庫頂房屋面均布活荷載。（3）積灰荷載：1.0kN/m2，按屋面坡度折減。（4）雪荷載：基本雪壓0.5kN/m2，按屋面坡度折減。（5）風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓0.5kN/m2，地面粗糙度B類。（6）溫差：+120℃，-40℃。（7）地震：地震7度（0.15g），地震分組第二組，場地類別Ⅱ類。

2.2 荷載組合

根據(jù)荷載規(guī)范[2]和抗震規(guī)范[3]進(jìn)行荷載組合。積灰荷載與屋面均布活荷載和雪荷載中的較大值組合，屋面均布活荷載不與雪荷載和風(fēng)荷載同時組合;地震考慮水平地震力，模態(tài)計算提取前30階振型。

2.3 材料

根據(jù)空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程[4]確定：（1）網(wǎng)架桿件、封板、錐頭材質(zhì)：Q235B。（2）螺栓球材質(zhì)：45號鋼。（3）高強(qiáng)螺栓材質(zhì)：40cr或20MnTiB，螺栓等級M16～M36為10.9S，M39～M64為9.8S。

2.4 設(shè)計參數(shù)

網(wǎng)架設(shè)計參數(shù)依據(jù)抗震規(guī)范[3]、空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程[4]和鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[5]的相關(guān)章節(jié)確定如下：（1）長細(xì)比：考慮到本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)荷載較大且在溫度應(yīng)力作用下桿件內(nèi)力容易變號，一般位置處桿件長細(xì)比限值為150，支座附件及其周邊2個網(wǎng)格等關(guān)鍵位置處桿件取值120。（2）應(yīng)力比：一般桿件應(yīng)力比控制為不大于0.8，支座附件及其周邊2個網(wǎng)格等關(guān)鍵位置處桿件應(yīng)力比控制為不大于0.7。（3）高強(qiáng)度螺栓：應(yīng)力比控制跟所連接桿件一致。（4）撓度限值：為滿足屋面上工藝設(shè)備運(yùn)行要求，網(wǎng)架屋蓋的撓度限值為1/400跨度。

3 設(shè)計結(jié)果

采用空間結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件3D3S進(jìn)行設(shè)計靜力分析和動力分析。

3.1 靜力分析結(jié)果

網(wǎng)架最小桿件截面為75.5×3.75，最大截面為245×16，桿件應(yīng)力云圖如圖4所示，總用鋼量約為240t。模型最大豎向位移位置為拉鏈機(jī)作用點(diǎn)，數(shù)值為44mm（1/1364<1/400），滿足規(guī)范和使用要求。最大支座反力設(shè)計值為豎向370kN，徑向水平130kN。

3.2 動力分析結(jié)果

對網(wǎng)架進(jìn)行模態(tài)分析，提取結(jié)構(gòu)的前30階振型，保證兩個水平方向的質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%。前3階周期和振型見圖5所示，結(jié)構(gòu)頻率比較密集，前兩階振型以水平平動為主，第三階振型以扭轉(zhuǎn)為主，結(jié)構(gòu)剛度較大。

4 設(shè)計中需注意的問題

4.1 拉鏈機(jī)荷載的影響

拉鏈機(jī)運(yùn)行時沿輸送方向的拉力達(dá)到1040kN，水平分力達(dá)到950kN，且有較大的振動荷載，如果由庫頂網(wǎng)架直接承擔(dān)這部分水平力，網(wǎng)架設(shè)計難度較大，且存在安全隱患。本文采用拉鏈機(jī)鋼桁架上端通過滾動支座與庫頂鋼平臺相連的處理方式，如圖6所示，可減少拉鏈機(jī)水平力和水平振動對庫頂鋼結(jié)構(gòu)的不利影響;設(shè)計時對鋼桁架傳遞給庫頂鋼平臺的豎向荷載進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，以考慮豎向振動對屋頂鋼結(jié)構(gòu)的不利影響，其恒荷載約有850kN，豎向活荷載約有1600kN，其余設(shè)備荷載約300kN。

4.2 熟料溫度對結(jié)構(gòu)的影響

熟料入庫溫度設(shè)計值為環(huán)境溫度+65℃，但由于設(shè)備故障等原因易造成熟料冷卻不充分，溫度可能達(dá)到180℃左右。高溫熟料會引起屋蓋網(wǎng)架產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，為了減小這部分溫度應(yīng)力，網(wǎng)架支座采用徑向彈簧支座的形式，如圖7所示，支座底板1設(shè)有徑向長圓孔，可保證支座可徑向移動，支座底板1和過渡板之間設(shè)有四氟乙烯板，側(cè)邊支座設(shè)有彈簧，通過支座的徑向變形可釋放一部分溫度應(yīng)力，減小網(wǎng)架支座對混凝土筒倉的水平力，也可以避免由于鋼網(wǎng)架與下部混凝土筒倉熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生溫度變形不一致的問題。

4.3 設(shè)備振動對結(jié)構(gòu)的影響

熟料庫頂有拉鏈機(jī)傳動裝置、收塵器、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行時產(chǎn)生的振動會引起庫頂網(wǎng)架構(gòu)件及連接的疲勞破壞問題。熟料庫頂振動是多源振動，具有振幅小、頻率高、持續(xù)時間長的特點(diǎn)，屬于超高次疲勞問題。文獻(xiàn)[6][7]對水泥廠熟料庫進(jìn)行了現(xiàn)場動力測試和數(shù)據(jù)分析，表明設(shè)備振動產(chǎn)生的內(nèi)力幅值較小，疲勞應(yīng)力幅均小于疲勞極限，結(jié)構(gòu)安全性可滿足要求。本次設(shè)計適當(dāng)放大了設(shè)備的活荷載，以考慮振動荷載對網(wǎng)架的不利影響。并且由于采用了彈簧支座，對結(jié)構(gòu)變形具有阻尼作用，可以吸收一部分振動能量，減少振動荷載對結(jié)構(gòu)的不利影響。

5 結(jié)束語

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑中，熟料庫庫頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與普通屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比，豎向荷載、溫度荷載均較大，且需考慮設(shè)備振動荷載的影響，設(shè)計難度較大。本文較詳細(xì)地論述了60m熟料庫頂網(wǎng)架設(shè)中需注意的問題，為熟料庫頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了參考。

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