大型水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及常見問題的處理方法

張 立

(合肥水泥研究設(shè)計(jì)院,合肥 230000)

大型水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及常見問題的處理方法

張 立

(合肥水泥研究設(shè)計(jì)院,合肥 230000)

水泥廠廠房在水泥生產(chǎn)過程中受振動(dòng)沖擊大,建筑物荷載高,生產(chǎn)過程溫度高且要承受一定的腐蝕,極易對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成損壞。該文從大型水泥廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā),簡(jiǎn)述了大型水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn),并對(duì)大型水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的解決方案。

大型水泥廠; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 常見問題; 處理方法

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛,經(jīng)濟(jì)建設(shè)的速度明顯加快。作為工程建設(shè)基礎(chǔ)材料的水泥,其消費(fèi)量也日漸增加。在經(jīng)濟(jì)全球化大背景下,相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明全球水泥產(chǎn)量已突破20億t,并仍在以每年2 000萬(wàn)t的速度增長(zhǎng),而中國(guó)的水泥產(chǎn)量已占全球總產(chǎn)量的50%左右。在全國(guó)范圍內(nèi),新建、改建、擴(kuò)建水泥廠的項(xiàng)目日漸增多,為達(dá)到建設(shè)目標(biāo)并保證水泥產(chǎn)品的質(zhì)量,相關(guān)從業(yè)人員在不斷改進(jìn)水泥生產(chǎn)工藝的同時(shí),對(duì)水泥廠相關(guān)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了相應(yīng)要求。該文從水泥廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā),對(duì)大型水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題進(jìn)行了分析并提出相應(yīng)的解決方案,以供同行討論。

1 大型水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

水泥產(chǎn)品的生產(chǎn)從生產(chǎn)工藝上來(lái)說,其工藝流程相對(duì)復(fù)雜,可簡(jiǎn)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(gè)方面。水泥廠建筑從建筑結(jié)構(gòu)上分析主要包括堆場(chǎng),配料庫(kù),存儲(chǔ)庫(kù),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(jié)構(gòu),筒倉(cāng),桁架等。上述生產(chǎn)廠房除滿足相應(yīng)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(jiǎn)陋和呆板的印象,其生產(chǎn)過程所排放的大量粉塵更是嚴(yán)重影響了相關(guān)區(qū)域的環(huán)境及當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量。為此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,除注重相應(yīng)的使用功能外也應(yīng)特別注意建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用效果。

大型水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程大致可以分為3個(gè)階段:建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段,建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算階段和建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)階段。

1.1 建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段

首先根據(jù)水泥廠的設(shè)計(jì)任務(wù)書及水泥廠建筑結(jié)構(gòu)的重要性程度,結(jié)合水泥廠建筑結(jié)構(gòu)所在地的抗震設(shè)防烈度、建筑結(jié)構(gòu)所在地的工程地質(zhì)勘查報(bào)告來(lái)確定水泥廠結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,即是采用單層廠房結(jié)構(gòu)還是砌體結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)形式等等,在此基礎(chǔ)上確定廠房建筑的高度和層數(shù)。在確定建筑結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上,根據(jù)水泥廠房建筑的特點(diǎn)和相應(yīng)建筑規(guī)范布置水泥廠房結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件和受力構(gòu)件。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算階段

在建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算階段,首先應(yīng)對(duì)荷載進(jìn)行計(jì)算。其荷載可簡(jiǎn)單分為外部荷載和內(nèi)部荷載。外部荷載包括雨雪荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等,內(nèi)部荷載包括廠房結(jié)構(gòu)恒載、設(shè)備荷載、裝飾荷載等。上述荷載應(yīng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范要求采用不同的組合系數(shù)及準(zhǔn)永久系數(shù),從而對(duì)不同工況進(jìn)行組合運(yùn)算。

其次,應(yīng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行試算。在上一步的基礎(chǔ)上,根據(jù)計(jì)算得到的荷載設(shè)計(jì)值及構(gòu)造要求,使用計(jì)算手冊(cè)上的計(jì)算方法初步確定主要受力構(gòu)件的截面尺寸。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算結(jié)構(gòu)所受的彎矩、剪力、扭矩等應(yīng)力及應(yīng)變。

最后,應(yīng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算并復(fù)核。根據(jù)上述步驟得到的應(yīng)力條件,校驗(yàn)其是否符合規(guī)范的相應(yīng)條件及構(gòu)造要求。如不滿足條件,需調(diào)整構(gòu)件尺寸直至達(dá)到規(guī)范要求為止。

1.3 建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)階段

此階段需要將上述所得的計(jì)算結(jié)果完整清晰的表述在施工圖紙上,其最終成果應(yīng)包含基礎(chǔ)平面圖、基礎(chǔ)詳圖、各樓層平面圖、配筋圖、輸送廊詳圖等。施工圖既應(yīng)滿足相應(yīng)的規(guī)范計(jì)算要求,又要符合最基本的構(gòu)造要求,同時(shí)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(xiàng)要求。

2 大型水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 吊掛構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

吊掛構(gòu)件包括:吊掛漏斗、吊掛平臺(tái)、吊掛支架、吊掛設(shè)備軌道等。針對(duì)吊掛構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必注意以下兩點(diǎn):

1)針對(duì)不同部位的連接節(jié)點(diǎn),首先必須嚴(yán)格計(jì)算確保連接節(jié)點(diǎn)的安全性,即需考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件在實(shí)際施工過程中所受的溫度荷載、振動(dòng)荷載等其他不利荷載。對(duì)構(gòu)件與埋件的連接節(jié)點(diǎn)處更應(yīng)高度重視其連接的可靠性,確保連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性。

2)針對(duì)預(yù)埋受拉構(gòu)件也要進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算,在錨固措施滿足構(gòu)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(yīng)對(duì)錨筋、錨板進(jìn)行核算。

2.2 懸臂構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

懸臂構(gòu)件包括:懸臂梁、板、柱等。針對(duì)懸臂構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必注意以下幾點(diǎn):

1)確保構(gòu)件的穩(wěn)定性。考慮到懸臂構(gòu)件受到振動(dòng)等不利荷載的影響,在保證建筑構(gòu)件安全性的基礎(chǔ)上,務(wù)必采用有效措施保證懸臂構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)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(dāng)加強(qiáng),以抵御實(shí)際施工和使用過程中可能出現(xiàn)的下部受拉荷載。

3)懸臂構(gòu)件上不宜放置任何形式的振動(dòng)設(shè)備,對(duì)長(zhǎng)懸臂構(gòu)件在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮8度以上的地震影響。

2.3 輸送頭尾輪處建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算階段,應(yīng)注意輸送機(jī)頭尾輪處受力埋件及其受力設(shè)備基礎(chǔ)的受力狀態(tài),其應(yīng)包括:頭尾輪處受力埋件、受力設(shè)備基礎(chǔ)、受力支墩、拉鏈機(jī)基礎(chǔ)、膠帶翻轉(zhuǎn)裝置的拉力支墩等。在對(duì)此類構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必注意以下幾點(diǎn):

1)對(duì)受力預(yù)埋構(gòu)件務(wù)必合理計(jì)算其受力狀態(tài),保證構(gòu)件本身的安全性,并在一定程度上保證構(gòu)件連接處的可靠性(必要條件下可對(duì)其進(jìn)行核算)。

2)對(duì)于樓板上受力設(shè)備的基礎(chǔ)或者其支墩結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按其受力狀態(tài)進(jìn)行抗彎抗壓計(jì)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(duì)于樓板上受力設(shè)備的基礎(chǔ)或者其支墩結(jié)構(gòu)除應(yīng)進(jìn)行上述2)中的計(jì)算外,還應(yīng)特別注意對(duì)其進(jìn)行抗傾覆和抗滑驗(yàn)算。

4)在對(duì)熟料庫(kù)拉鏈機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算時(shí),考慮到其所受拉力較大,設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必保證加大框架高度,以期在一定程度上控制其側(cè)向位移。

2.4 控制相鄰車間的位置關(guān)系

1)相鄰車間基礎(chǔ)間的位置關(guān)系。窯尾提升機(jī)地坑不要與生料庫(kù)基礎(chǔ)相碰。窯頭冷卻機(jī)地坑不要與窯墩基礎(chǔ)相碰。廢氣處理各部分之間基礎(chǔ)不要相碰等。

2)相鄰車間上部構(gòu)件的位置關(guān)系。窯中走道平臺(tái)不要與窯頭梁相碰等。

3)輸送天橋與車間的位置關(guān)系。輸送桁架牛腿、埋件等處于另一車間不要遺漏,且標(biāo)高位置應(yīng)核對(duì)準(zhǔn)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(guān)系

1)支架位置應(yīng)避開道路,并與總圖專業(yè)確認(rèn)。支架位置還應(yīng)考慮路邊排水溝等設(shè)施。

2)道路上面應(yīng)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(dāng)輸送標(biāo)高較低時(shí),不宜采用大跨度鋼桁架。

2.6 控制主要設(shè)備基礎(chǔ)、螺栓孔及孔洞定位

1)所有設(shè)備基礎(chǔ)孔洞的定位中心線。應(yīng)標(biāo)注明確,注明中心線名稱。

2)窯、磨等大型設(shè)備基礎(chǔ)。其布置圖和詳圖的螺栓孔平面圖應(yīng)嚴(yán)格按比例、按規(guī)定繪制,螺栓孔不允許簡(jiǎn)化表示。

3)設(shè)備基礎(chǔ)上的螺栓孔。其定位應(yīng)按工藝尺寸標(biāo)注,不宜進(jìn)行換算,也不宜增加分尺寸。

4)孔洞的邊梁。條件許可時(shí),孔洞處的梁盡量距離洞邊一定距離。

3 大型水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題及解決辦法

從水泥生產(chǎn)的工藝流程可以看出水泥的生產(chǎn)過程具有下述特點(diǎn):生產(chǎn)過程中的振動(dòng)沖擊較大,建筑所受荷載較大,生產(chǎn)過程中的溫度較高并具有相當(dāng)程度的腐蝕性。水泥產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的上述特點(diǎn)決定了水泥廠建筑結(jié)構(gòu)必須能夠承受較大的振動(dòng)與沖擊作用,能承受較大的荷載,能夠承受生產(chǎn)過程中巨大的熱量輻射,同時(shí)在一定程度上抵御生產(chǎn)過程中副產(chǎn)品的腐蝕性。根據(jù)水泥生產(chǎn)過程中的上述特點(diǎn),該文對(duì)水泥廠建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題做了簡(jiǎn)單的初步討論。

通過對(duì)已建成的水泥廠房的調(diào)查,并結(jié)合相關(guān)研究資料,發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大水泥廠在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在普遍性問題,具體表現(xiàn)如下:

1)因溫度荷載作用,靠近高溫設(shè)備的混凝土構(gòu)件(梁、板、柱)極易發(fā)生破壞。

2)動(dòng)力設(shè)備附近因其振動(dòng)較嚴(yán)重,設(shè)備基礎(chǔ)構(gòu)件損壞嚴(yán)重,樓面設(shè)施也有一定程度的損壞。

3)在堆場(chǎng)、堆棚、成品庫(kù)等廠房?jī)?nèi)因堆積物荷載較大造成地面沉降不均勻。

4)磚筒倉(cāng)開裂,鋼筒倉(cāng)整體傾斜。

5)成懸臂狀態(tài)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中沒有充分考慮建筑物構(gòu)件的實(shí)際受力狀態(tài)。因?qū)ㄖ飿?gòu)件的荷載不明確而未對(duì)雨棚、鋼筒倉(cāng)、磚筒倉(cāng)等做相應(yīng)的防范措施,這必將影響水泥生產(chǎn)過程。在一定條件下,甚至?xí)?duì)水泥生產(chǎn)企業(yè)造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

通過對(duì)上述問題的分析,結(jié)合相應(yīng)的施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),該文得出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn),以期避免水泥廠生產(chǎn)過程中的構(gòu)件病害:

1)在腐蝕性較高的廠房?jī)?nèi),建筑構(gòu)件不宜使用厚度小于6 cm的薄壁構(gòu)件,混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度也應(yīng)低于30 mm。由于廠房?jī)?nèi)生產(chǎn)工藝的腐蝕性環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提出了較高的要求,因此要十分注意控制建筑構(gòu)件的裂縫寬度。

2)在特殊情況下可將建筑結(jié)構(gòu)上部的懸挑鋼平臺(tái)作為操作平臺(tái),其能有效的減小建筑結(jié)構(gòu)的跨度。同時(shí),將建筑結(jié)構(gòu)上部的懸挑鋼平臺(tái)作為操作平臺(tái)也可減少建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)。

3)在適當(dāng)情況下,可將建筑結(jié)構(gòu)上部的懸挑平臺(tái)作為提升機(jī)和其他建筑生產(chǎn)設(shè)備的檢修平臺(tái)。其不僅可以在不增加結(jié)構(gòu)跨度的前提下保證生產(chǎn)設(shè)備的可操控性,從建筑結(jié)構(gòu)受力角度分析還能有效減少框架結(jié)構(gòu)中主梁的跨中彎矩值,進(jìn)而可減小梁的截面高度,保證在不增加建筑層數(shù)的前提下獲得足夠的操作空間。

4 結(jié) 語(yǔ)

該文從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā),簡(jiǎn)要闡述了大型水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn),并在相關(guān)調(diào)研基礎(chǔ)上總結(jié)了水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題及相應(yīng)的解決方法,以保證水泥廠的正常使用及水泥生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí),廣大施工設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)相應(yīng)規(guī)范和施工技術(shù),提高自身專業(yè)能力,認(rèn)真負(fù)責(zé)的完成屋面工程的建設(shè)工作,以期更好地為我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。

[1] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 張世翔,董哲武.某水泥廠原料堆棚車間廠房倒塌事故分析[J].水泥科技,2005,13(3):6-7.

[3] 郭 云.水泥廠鋼結(jié)構(gòu)廠房維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選材與施工[J].水泥技術(shù),2010,27(1):94-97.

[4] 沈夢(mèng)來(lái).基于ANSYS軟件平臺(tái)的某工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[5] 馬一龍.水泥廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常遇問題的處理辦法[J].建材發(fā)展導(dǎo)向,1994,16(1):28-31.

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