礦山破碎系統(tǒng)中細(xì)碎廠房設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

陶繼波,陳威克,黃斯拜,崔小熊

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

礦山破碎系統(tǒng)是指通過(guò)給料機(jī)、破碎機(jī)、篩分機(jī)、皮帶輸送機(jī)、電控裝置、除塵設(shè)備等組成的生產(chǎn)線,將大粒度的礦石通過(guò)破碎篩分成小粒度的、不同級(jí)配的砂石產(chǎn)品[1]。構(gòu)筑物一般由粗碎站、中細(xì)碎車間、超細(xì)碎車間、篩分廠房等組成,根據(jù)功能不同構(gòu)筑物內(nèi)部布置各有不同,主要包括倉(cāng)上建筑物、礦倉(cāng)、倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)、皮帶輸送系統(tǒng)、破碎機(jī)及基礎(chǔ)等組成。本文以中細(xì)碎廠房工程實(shí)例進(jìn)行涉及要點(diǎn)的分析,僅供參考。

1 工程概況

中細(xì)碎車間的平面圖和剖面圖如圖1、圖2所示。廠房中采用鋼筋混凝土-鋼框排架結(jié)構(gòu)。廠房分為2跨,跨度分別為9 m、13.5 m,柱距為6 m,長(zhǎng)度61.5 m,高度分別為34 m。車間內(nèi)設(shè)有6臺(tái)圓錐破碎機(jī),一臺(tái)16/3.2 t吊鉤橋式起重機(jī)。抗震設(shè)防烈度為7度(0.1 g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組。基本風(fēng)壓：0.45 kN/m2,基本雪壓：0.55 kN/m2。工藝處理過(guò)程如下：礦料由CD跨標(biāo)高22.5 m處輸送皮帶由其它工段輸送至中細(xì)碎車間,下落至礦倉(cāng)進(jìn)行貯存堆放,后由9 m平臺(tái)皮帶給礦機(jī)輸送至BC跨破碎機(jī)頂端,經(jīng)破碎機(jī)粉碎處理后,下落至地面皮帶廊,最終由地面皮帶廊輸送出廠房。

圖1 廠房平面圖

圖2 廠房剖面圖

2 結(jié)構(gòu)布置原則

中細(xì)碎車間采用鋼筋混凝土-鋼框排架結(jié)構(gòu),AB跨為破碎機(jī)及平臺(tái),BC跨為礦倉(cāng)、倉(cāng)上建筑物及支承結(jié)構(gòu),車間為高層建筑物,由多種結(jié)構(gòu)部分組合而成,具有平面和豎向分布不規(guī)則、荷載形式多樣的特點(diǎn),不宜整體建模分析。結(jié)構(gòu)布置應(yīng)考慮將廠房分割為規(guī)則的形體,保證質(zhì)量、剛度分布均衡,確保結(jié)構(gòu)的整體性和傳力明確。屋蓋、支承及下部結(jié)構(gòu)的布置宜均勻?qū)ΨQ,結(jié)構(gòu)布置宜避免因局部削弱或突變形成薄弱部位,產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)力、變形集中。對(duì)于可能出現(xiàn)的薄弱部位,應(yīng)采取措施提高抗震能力。

設(shè)計(jì)過(guò)程中將AB跨和BC跨分開考慮,AB跨廠房跨度較大,各層平臺(tái)荷載形式單一,僅為設(shè)備檢修荷載,此部分采用鋼結(jié)構(gòu),可減輕結(jié)構(gòu)自重,減少沉降。廠房平臺(tái)及基礎(chǔ)與破碎機(jī)應(yīng)脫開,避免破碎機(jī)振動(dòng)對(duì)廠房主體的影響。廠房平臺(tái)梁與B軸柱宜采用鉸接連接。

BC跨為礦倉(cāng)主體部分,荷載較大且質(zhì)心較高,BC跨礦倉(cāng)及支承結(jié)構(gòu)采用混凝土框架結(jié)構(gòu),礦倉(cāng)與混凝土框架整體澆筑。倉(cāng)上建筑物僅承受本層自重,可采用輕鋼結(jié)構(gòu)。

3 倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)

倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)主要包括：倉(cāng)頂房屋和皮帶機(jī)等設(shè)備基礎(chǔ)。礦料由標(biāo)高25.25 m輸送皮帶送至破碎廠房礦倉(cāng)頂部,下落至礦倉(cāng)。倉(cāng)頂房屋用于布置進(jìn)料皮帶輸送設(shè)備,結(jié)合工藝功能和結(jié)構(gòu)布置,倉(cāng)頂結(jié)構(gòu)宜采用質(zhì)量輕,抗震延性好的結(jié)構(gòu)形式,本項(xiàng)目采用門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu),圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用夾芯板。

倉(cāng)上柱腳坐落于礦倉(cāng)頂部框架柱上,采用鉸接節(jié)點(diǎn),礦倉(cāng)和倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)均為混凝土結(jié)構(gòu),支承框架和礦倉(cāng)連為整體,支承柱伸至礦倉(cāng)頂部。倉(cāng)上房屋按照單獨(dú)結(jié)構(gòu)單體進(jìn)行分析,并將柱底內(nèi)力傳遞至下部框架柱。需要注意的是,倉(cāng)上房屋的風(fēng)荷載系數(shù)取值應(yīng)考慮房屋實(shí)際標(biāo)高進(jìn)行風(fēng)壓高度變化系數(shù)取值。倉(cāng)上房屋地震作用增大系數(shù),可根據(jù)倉(cāng)上建筑計(jì)算層結(jié)構(gòu)剛度與倉(cāng)體及倉(cāng)上建筑計(jì)算層質(zhì)量比的具體條件,按《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》表5.1.6采用。倉(cāng)上建筑增大的地震作用效應(yīng)不應(yīng)向下部結(jié)構(gòu)傳遞。

4 礦倉(cāng)主體結(jié)構(gòu)

礦倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)判斷簡(jiǎn)倉(cāng)類型(深倉(cāng)或淺倉(cāng)),并估算混凝土簡(jiǎn)倉(cāng)的壁厚。

本項(xiàng)目礦倉(cāng)為矩形筒倉(cāng),倉(cāng)體平面尺寸9 m×6 m,倉(cāng)體高度12 m,筒倉(cāng)高寬比hn/bn=2＞1.5,應(yīng)為矩形深倉(cāng)。矩形筒倉(cāng)倉(cāng)壁厚度一般采用短邊跨度的1/20～1/30,本項(xiàng)目礦倉(cāng)壁厚取300 mm,倉(cāng)壁四周采取加腋處理。

(2)依據(jù)判別的筒倉(cāng)類型及計(jì)算筒倉(cāng)倉(cāng)壁壓力。

目前,關(guān)于筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件多采用參數(shù)化為主的模塊式建模輸入方式,多數(shù)只能對(duì)圓形筒倉(cāng)進(jìn)行設(shè)計(jì),針對(duì)工程中廣泛存在的矩形礦倉(cāng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的軟件較少。本項(xiàng)目礦倉(cāng)主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算將計(jì)算模型可進(jìn)行了簡(jiǎn)化,拆分為倉(cāng)壁及漏斗壁等單獨(dú)的平面構(gòu)件,按照規(guī)范或貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行計(jì)算。

作用于倉(cāng)壁及漏斗側(cè)壁的荷載包括礦倉(cāng)自重、倉(cāng)內(nèi)貯料自重、倉(cāng)體懸掛吊車荷載,并考慮地震作用,按礦倉(cāng)在使用過(guò)程中最不利荷載組合進(jìn)行計(jì)算。需要注意的是,計(jì)算筒倉(cāng)水平地震作用及其自振周期時(shí),可取貯料總重80%作為貯料有效質(zhì)量的代表值,重心取其總重的中心[2]。計(jì)算分析包括作用于倉(cāng)壁的豎向壓力和水平壓力,作用于漏斗側(cè)壁的法向壓力和切向壓力,倉(cāng)壁及漏斗側(cè)壁平面內(nèi)的受彎計(jì)算,倉(cāng)壁及漏斗側(cè)壁平面外的受彎計(jì)算。本項(xiàng)目為深倉(cāng),矩形倉(cāng)壁板高寬比小于2,按照雙向板進(jìn)行計(jì)算,漏斗壁斜向板計(jì)算時(shí)可按照當(dāng)量矩形板進(jìn)行等代換算,作用于漏斗壁的豎向壓力在漏斗高度范圍內(nèi)應(yīng)采用漏斗頂面的貯料壓力值[3]。

(3)根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉(cāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和進(jìn)行鋼筋配筋計(jì)算(主要由倉(cāng)壁的裂縫控制,并驗(yàn)算是否滿足規(guī)范的構(gòu)造要求。

經(jīng)計(jì)算分析,倉(cāng)壁及漏斗側(cè)壁均為裂縫控制,最大裂縫不超過(guò)0.2 mm。礦倉(cāng)水平和豎向鋼筋均采用直徑18 mm鋼筋,礦倉(cāng)豎向鋼筋和上半段水平鋼筋間距為200 mm,礦倉(cāng)下半段水平鋼筋間距為150 mm。漏斗側(cè)壁采用直徑18 mm鋼筋,鋼筋間距150 mm。倉(cāng)壁四周腋角部分采用16 mm加腋鋼筋,鋼筋間距同礦倉(cāng)水平鋼筋間距。

礦倉(cāng)倉(cāng)壁開孔及下料口四周均埋設(shè)20 mm鋼板作為防撞措施,并在洞口四周設(shè)置暗梁與暗柱。考慮貯料下落時(shí)對(duì)倉(cāng)壁和漏斗側(cè)壁的撞擊磨損,倉(cāng)壁和漏斗壁內(nèi)側(cè)混凝土保護(hù)層均加厚20 mm。

5 倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目礦倉(cāng)頂標(biāo)高25 m,礦倉(cāng)中心距離地面20 m處,重心處于結(jié)構(gòu)較高位置,礦倉(cāng)自重、貯料重量以及產(chǎn)生的水平地震作用對(duì)廠房結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大影響,柱支承傳統(tǒng)遭破壞往往從支承、支承筒連接倉(cāng)壁的部位開始出現(xiàn)剛度突變,導(dǎo)致應(yīng)力集中,出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象,抗震設(shè)計(jì)一定要對(duì)支承柱的柱頭與柱腳重點(diǎn)予以關(guān)注和加強(qiáng)[4]。

綜合考慮工藝布置和使用功能,倉(cāng)下結(jié)構(gòu)采用混凝土框架,4.5 m和9 m標(biāo)高處設(shè)置樓層,作為電氣室和辦公室,礦倉(cāng)底部標(biāo)高設(shè)置框架連梁,增加倉(cāng)下結(jié)構(gòu)的配重和整體性。因倉(cāng)下結(jié)構(gòu)為柱支承,柱箍筋應(yīng)全高加密,提高倉(cāng)下支柱的抗震能力。

結(jié)構(gòu)整體建模計(jì)算時(shí),應(yīng)考慮倉(cāng)上結(jié)構(gòu)傳遞的柱下荷載及礦倉(cāng)整體自重荷載。經(jīng)計(jì)算,本項(xiàng)目框架柱為軸壓比控制,軸壓比限制控制在0.75。框架柱采用截面600 mm×1 000 mm,縱向鋼筋采用直徑25 mm鋼筋共20根,箍筋采用直徑12 mm間距100 mm。

6 破碎機(jī)廠房及基礎(chǔ)

BC跨廠房為破碎機(jī)廠房,礦倉(cāng)落料由皮帶給礦機(jī)輸送至圓錐破碎機(jī)進(jìn)行破碎加工,處理后的碎石由地面皮帶輸送系統(tǒng)運(yùn)送至下一工段。設(shè)置一臺(tái)16/3.2 t吊鉤橋式起重機(jī)。

破碎機(jī)廠房由鋼排架廠房、各層鋼平臺(tái)及破碎機(jī)基礎(chǔ)組成,屋面梁、各層平臺(tái)梁與C軸礦倉(cāng)框架柱均采用鉸接連接。鋼排架、各層鋼平臺(tái)建模計(jì)算時(shí)與礦倉(cāng)主體結(jié)構(gòu)整體建模,并按單獨(dú)構(gòu)件復(fù)核排架柱及屋面梁受力狀況。

排架柱按壓彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算,下柱采用H1150×400×20×20和H400×200×16×20組合型鋼柱,上柱采用H800×400×20×20。為滿足吊車檢修功能,上柱腹板在吊車檢修平臺(tái)處預(yù)留通行洞口。各層鋼平臺(tái)均采用鋼框架結(jié)構(gòu),平臺(tái)上鋪設(shè)6 mm厚花紋鋼板,并根據(jù)工藝要求考慮檢修荷載,預(yù)留設(shè)備洞口和管道洞口。

破碎機(jī)基礎(chǔ)采用大塊式混凝土結(jié)構(gòu),機(jī)組總重心和基礎(chǔ)底面形心宜處于同一豎線上,破碎機(jī)基礎(chǔ)的承載力計(jì)算,其荷載應(yīng)包括構(gòu)件、機(jī)器自重和3倍的破碎機(jī)擾力。基礎(chǔ)的配筋沿四周和頂、底面配置直徑10～14 mm,間距200～300 mm的鋼筋網(wǎng)[5]。設(shè)備啟動(dòng)時(shí)周有50 mm振幅,設(shè)計(jì)時(shí)要統(tǒng)一考慮廠房基礎(chǔ)和圓錐破碎機(jī)基礎(chǔ)的布置,破碎機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)與廠房基礎(chǔ)脫開,避免破碎機(jī)的工作擾力對(duì)主廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響,確保基礎(chǔ)之間有不小于100 mm的縫隙,并用柔性隔震材料填充空隙。

7 廠房基礎(chǔ)

廠房地基基礎(chǔ),應(yīng)滿足承載力計(jì)算和地基變形,按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)取荷載標(biāo)準(zhǔn)組合。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合工程地質(zhì)報(bào)告,綜合分析壓縮層深度內(nèi)各土層情況,通過(guò)調(diào)整基礎(chǔ)的平面形狀及尺寸以控制基底壓應(yīng)力,滿足承載力要求,保證基礎(chǔ)平均沉降量不應(yīng)大于200 mm。本工程基礎(chǔ)坐落于花崗混合巖(全風(fēng)化)上,地基承載力特征值fak=220 kPa,局部基礎(chǔ)超挖部分采用C20毛石混凝土回填至基底標(biāo)高。1～8軸C、D跨廠房基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ),9～11軸C、D跨及B軸廠房基礎(chǔ)均采用獨(dú)立基礎(chǔ)。

8 結(jié)語(yǔ)

礦山破碎廠房鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),應(yīng)注意采用合理的結(jié)構(gòu)選型,根據(jù)各結(jié)構(gòu)單元的連接方式采取合理的計(jì)算模型,并按照規(guī)范采取構(gòu)造措施,確保工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性。通過(guò)合理的設(shè)計(jì),保證工程設(shè)計(jì)質(zhì)量達(dá)到規(guī)范的要求。