水泥厂窑尾结构的设计方法及控制因素

张 立

(合肥水泥研究设计院,合肥 230000)

水泥厂窑尾结构的设计方法及控制因素

张 立

(合肥水泥研究设计院,合肥 230000)

随着我国经济建设的发展,水泥厂窑尾结构在全国范围内被广泛采用。窑尾结构平面尺寸小、层高大、建筑结构高、建筑荷载大,其结构设计计算无专门规范作为依据。该文详尽分析了窑尾结构的优缺点,针对窑尾结构中的基础设计和构件设计,从安全性和经济性考虑给出了其设计思路与方法。

水泥厂; 窑尾结构; 设计; 控制因素

我国目前仍处于工程建设的高速发展期,基础建设规模堪称世界第一。水泥作为工程建设的主要材料,其工程需求量与日俱增,其供求关系刺激着我国水泥厂工业的发展和壮大。水泥厂窑尾结构是目前新型干法水泥厂的核心工程,也是建筑高度大、结构荷载高的特种建筑结构。规模较小的水泥厂常将窑尾结构设计成多层混凝土框架结构,但随着水泥厂生产规模的壮大,结构高度越来越大,个别工程中其高度甚至都超过了百米。与此同时,窑尾结构由于平面尺寸的限制,普通的钢筋混凝土框架结构显然已无法满足其安全性要求,而剪力墙框架结构又往往不能满足其使用功能的要求,因此现代水泥厂窑尾结构建设中常采用钢结构作为其主要承重构件。采用钢结构的水泥厂窑尾工程可以保证设备安装的简易性和经济性,其已成为规模为2 000 t/d的水泥厂窑尾结构的主要形式。

1 水泥厂窑尾结构概述及其优缺点

1.1 水泥厂窑尾结构概述

水泥厂窑尾结构为既高又柔的塔类重工业建筑,其具体表现为:

1)整个结构的高宽比均大于5.0。

2)楼层层高大,往往在6.6～20.2 m。

3)层间柱高度大。少量柱由于结构平面布置和设备等原因造成框架梁拉不通,以致局部框架结构不成立,造成单层柱高度大于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,楼面开孔率和开孔面积往往得不到保证,极易造成部分楼层剩下的楼面面积不足。同时,钢结构楼面往往由焊接工字梁、型钢及上铺钢板组成,上铺钢板的厚度一般情况下不大于6 mm,极易导致除混凝土楼面板外的其它楼面刚度不足。

1.2 水泥厂窑尾结构的特性及主要优点

水泥厂窑尾结构区别于水泥厂一般建筑的主要特点表现在:

1)平面尺寸小,结构总高度和层高大。以实际工程中常见的规模为1 500 t/d的水泥厂为例,窑尾结构的平面尺寸往往被限制在11 m×11 m范围内,高度达60 m左右,最大层高可达10 m。

2)建筑荷载大。水泥厂窑尾结构按照水泥的生产工艺要求一般采用4柱式框架结构,每根柱子所承受的设计荷载达到了1 000 t以上,楼面活载设计值达到了5 k N/m2左右。

作为规模为2 000 t/d的水泥厂结构的主要形式,窑尾结构优势明显,主要表现在下述几个方面:

1)承载力较高,经济效益较好。相关文献研究和工程实践都表明,在承载力相同的条件下,窑尾结构与普通水泥厂结构相比可大量节省钢材和混凝土的用量。在采用钢管混凝土柱的前提下,窑尾结构可明显降低造价,同时还能有效减少结构建设中的焊接工作量。

2)抗震性能好,抗侧向变形能力出众。窑尾结构柱由于采用混凝土或者钢结构的框架形式,其截面惯性矩在各个方向上差异不大,这就对地震荷载或风荷载起到有效的抵抗作用。同时,由于其截面惯性矩在各个方向上差异不大,其抵抗侧向变形的能力也十分优异。

3)施工方便。由于窑尾结构中钢构件比例较大,可有效的减少混凝土的浇筑量,这就使窑尾结构在实际工程中的施工进度得到了保障。

1.3 水泥厂窑尾结构设计中的常见问题

通过上述分析可知,水泥厂窑尾结构作为一种特殊的重工业厂房结构,其设计施工过程中尚没有出现一种专门规范作为其设计施工的依据。对于此类复杂的空间受力结构,设计师往往采用有限元法进行结构设计、计算和校核。在结构设计计算中,由于水泥厂窑尾结构受力体系因为生产工艺和设备的影响较大,其主要受力构件布置复杂,水泥厂窑尾结构设计计算的准确性往往得不到保证。同时,由于施工过程的复杂性和施工质量的不确定性,窑尾结构设计计算时结构的连接形式和实际结构往往差异较大,其直接影响了水泥厂窑尾结构设计计算的准确性。

目前,在水泥厂窑尾结构的设计计算中往往假定其楼板平面刚度较大,而忽略其平面变形。在实际工程中,通过上文简述可知,窑尾结构的工作平台通常由厚度为6 mm的钢板铺设而成,在楼面大量开孔(工艺设备要求)的情况下,其刚度往往得不到有效保证,直接造成了设计计算分析与实际工程施工的差异。

在水泥厂窑尾结构的设计过程中,荷载的合理性对设计结构分析具有重要影响。水泥厂窑尾结构除承受机构自重和设备自重外,还要承受物料荷载、平台荷载、风荷载、地震荷载等,而物料荷载、平台荷载、风荷载、地震荷载组合系数的选取对水泥厂窑尾结构的分析影响重大。如何考虑可变荷载的组合系数是水泥厂结构设计中的一个难题。

水泥厂窑尾结构由于其建筑高度较大,风荷载的取值及其作用方式对结构的安全性有较大程度影响。窑尾结构上安装有大量生产性设备,设备尺寸和高度均较大且基本都是金属结构。窑尾结构设计时并未考虑设备的安装布置情况,因此在使用过程中不能把设备作为建筑结构的一部分参与受力,但一旦考虑到风荷载对建筑结构作用的面积时,又往往需要考虑设备尺寸带来的影响。此外,风荷载的作用方式也往往区别于一般房屋结构。在工程实践中,风荷载往往直接作用在金属设备上,其特殊作用方式也应在窑尾结构设计中有所体现。同时,由于窑尾结构平面尺寸小、结构高度大、荷载较高等原因,在考虑风荷载、地震作用时,不同于一般建筑构造,应考虑结构的大变形效应。此外,水泥厂窑尾结构在动力荷载下的响应也是结构设计不可忽略的一部分,如同地震荷载对窑尾结构的影响一样,都是此类建筑结构研究的重点。

2 水泥厂窑尾结构设计要点

针对窑尾结构的上述特点,对窑尾结构进行合理选型是结构设计优化的重点。在一定程度上,窑尾结构平台梁的设计优化要点在于生产工艺和设备的选择。针对不同规模的水泥厂窑尾结构,其框架平台梁布置方式也会不同,务必有效保证材料的合理使用及其安全性。因此,水泥厂窑尾结构设计的重点就集中在结构基础设计和构件设计上。

2.1 水泥厂窑尾结构基础设计

水泥厂窑尾结构的基础形式主要取决于柱底受力状态和当地的地质条件。在确保满足相应规范的前提下,综合考虑施工难易程度和工程造价等因素,保证窑尾结构不发生沉降和过大倾斜,满足其正常使用极限要求。

首先,窑尾结构应选用能满足建筑物地基承载力的基础形式,其结构允许变形也应满足相应条件。当地质状况较差时,必须采用整体性良好并能抵抗地基不均匀沉降的基础形式。当然,若地质状况良好,在满足地基承载力和变形要求的情况下,窑尾结构可采用筏型基础或箱型基础形式;当地基承载力和变形不满足相应要求时,可采用桩基础形式。

窑尾结构为高柔建筑,基底易出现拉应力,或者底桩出现上拔力。采用天然地基基础,高宽比大于4时,基础底面不宜出现零应力区;高宽比不大于4时,基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%;采用桩基础时,单桩的抗拔力应满足计算要求。

窑尾塔架基础应有一定的埋置深度。在确定埋置深度时,应考虑其高度、体型、地基土质、抗震设防烈度等因素。当采用岩石地基或采取有效措施时,在满足地基承载力、稳定性要求及基础底面不出现零应力区的前提下,基础埋深可不受此限制。当地基可能产生滑移时,应采取有效的抗滑移措施。桩基可采用灌注桩、钢筋混凝土预制桩或钢桩。桩基承台可选用:柱下单独承台、双向交叉梁、筏形承台、箱形承台。桩基选择和承台设计应根据上部结构类型、荷载大小、桩穿越的土层、桩端持力层土类、地下水位、施工条件和经验、制桩材料供应条件等因素综合考虑,做到技术先进、经济合理,确保工程质量。在实际工程中,采用灌注普遍的天然地基作为独立基础,条形基础和交叉梁基础的桩基一般为大直径桩基础。

窑尾塔架柱底内力大,一般采用刚性连接柱脚。混凝土柱的柱脚采用现浇的刚性柱脚。钢管混凝土柱或钢柱的柱脚形式较多,杯口插入式柱脚、外露式柱脚、外包式柱脚和埋入式柱脚在实际工程中都有应用,主要结合柱断面形式、受力特点、工程施工、经济指标等方面综合考虑后计算确定。钢管混凝土柱脚一般采用外包式柱脚,钢柱脚采用外露式柱脚较多,其它柱脚形式也在小部分工程中采用。

2.2 水泥厂窑尾结构构件设计

窑尾结构构件的选型包括梁、板、柱及水平和纵向支撑的选型及连接方式的选型等。

梁结构常采用钢梁,截面一般采用工字钢梁或者型钢梁。根据工程需要及构件受力状态,有时也采用箱型梁截面的钢梁。在跨度较大、跨中弯矩及支撑处设立过大的条件下,为满足承载力要求和正常使用极限状态的要求,也会采用惯性矩较大的工字型钢梁或采用存在钢板加劲肋的型钢梁。此外,根据施工条件及生产条件,综合考虑经济因素,工程中还常常在一个平面内采用多种形式的梁型,从而进一步满足施工设计条件,更好的为水泥生产服务。

工程实践中,窑尾结构平台铺设常采用花纹钢板,其平面刚度往往得不到有效保障,结构设计中只能将其视为弹性楼板。当然,花纹钢板楼板施工制造方便,其施工周期短的优点十分显著。窑尾结构平面也可采用铺压型钢板,再在其上浇筑钢筋混凝土板以进一步增强平面内有效刚度。此种类型的楼板单元防水防噪音效果良好,其平面刚度一般可满足结构要求,但在施工过程中要设置大量铆钉,造成施工周期较长。就窑尾结构而言,花纹钢板楼板可满足其防水隔声要求,其安全性也能得到一定保证,故已成为窑尾结构的主要铺板方式。

窑尾结构中柱的形式多种多样,较常采用钢管混凝土型钢柱、H型钢柱,因结构受力要求,较少采用钢管柱、工字钢柱和普通型钢柱。其中钢管混凝土柱较其它形式柱优点明显,其构件承载能力高、钢材用量少、刚度大、侧向刚度大等。基于此种特点,钢管混凝土柱广泛应用于水泥厂窑尾结构中。

窑尾结构的柱间支撑常选用人字支撑、八字支撑、单斜杆支撑、倒人字支撑或倒八字支撑的刚架结构体系,此类型支撑体系由钢管组成,结构形式简单明了,以达到经济和美观的效果。H型钢柱和工字钢柱的柱间支撑宜采用如双角钢、方钢管等小杆件组成的十字支撑或米字支撑的侧向刚度体系。当结构抗震要求较高时(地震设防烈度大于8),务必采用偏心支撑的抗侧力柱间支撑体系,以保护结构并耗散地震能量。

3 结 语

作为新型干法水泥厂的核心建筑,窑尾结构设计的安全性和合理性影响意义重大。该文简要介绍了水泥厂窑尾结构的主要特点,详尽分析了窑尾结构的优缺点。在此基础上结合工程实践,详细阐述了水泥厂窑尾结构设计中的控制因素。针对窑尾结构中的基础设计和构件设计,从安全性和经济性考虑给出了其设计思路与应用方法,以期同广大设计人员共同讨论提高。

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[2] 司马德义,汪建环.新型干法水泥厂窑尾塔架的结构选型[J].水泥工程,2006,27(4):73-75.

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[4] 张 帆.水泥厂窑尾结构体系的性能与设计研究[D].南京:河海大学,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.

张 立(1981-),工程师.E-mail:41534139@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.018