回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)的受力性能分析

石雪英 李國正 李國印

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610021

回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)的受力性能分析

石雪英 李國正 李國印

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610021

回轉(zhuǎn)窯作為水泥熟料燒成系統(tǒng)中的核心生產(chǎn)設(shè)備，其是否正常運行直接影響著整個水泥廠的生產(chǎn)，該設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)給予重視。而目前，形似框架的基礎(chǔ)設(shè)計主要停留在將窯基礎(chǔ)簡化成二維結(jié)構(gòu)進行三種工作狀態(tài)下靜力分析階段[1]，而結(jié)構(gòu)簡化為線單元計算的前提條件是單元長度尺寸遠遠大于單元截面尺寸且配筋計算時截面滿足平截面假定，顯然窯基礎(chǔ)各組成構(gòu)件的幾何尺寸不滿足該簡化條件。采用此方法設(shè)計的結(jié)果不符合窯基礎(chǔ)的實際受力狀態(tài)，設(shè)計結(jié)果不夠優(yōu)化?；赟AP2000有限元分析軟件，建立窯基礎(chǔ)實體單元模型，采用與線單元模型相同的荷載工況對窯基礎(chǔ)各組成構(gòu)件進行內(nèi)力和應(yīng)力分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出窯基礎(chǔ)配筋設(shè)計的建議。

SAP2000 回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ) 動力設(shè)備基礎(chǔ) 有限元分析 設(shè)計優(yōu)化

0 引言

早期，回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)（即窯墩）一般采用大塊式基礎(chǔ)（如圖1a），由于基礎(chǔ)的混凝土量大，后經(jīng)過一次次的設(shè)計優(yōu)化，將大塊式基礎(chǔ)上部受力較小的一部分混凝土挖除，形成了形似框架（如圖1b）和墻式的結(jié)構(gòu)形式（圖1c）[2]。 墻式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件為封閉的結(jié)構(gòu)墻，結(jié)構(gòu)整體剛度大，相對而言安全度較高。形似框架的基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)只在基礎(chǔ)兩側(cè)的短方向上設(shè)置豎向構(gòu)件，長方向在頂部設(shè)置水平構(gòu)件，結(jié)構(gòu)的整體剛度相對于大塊式或墻式基礎(chǔ)有較大的削弱，當回轉(zhuǎn)窯縱向軸線變性后，設(shè)備處于非正常工作狀態(tài)，設(shè)備會傳遞給基礎(chǔ)較大的水平荷載，為保證基礎(chǔ)上設(shè)備的正常運行，選取合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸和基礎(chǔ)配筋，以使結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和承載能力[3]。本文以某5 000 t/d水泥生產(chǎn)線為例進行回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)的受力性能分析。

圖1 回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)常見結(jié)構(gòu)形式

1 工程概況

某5 000 t/d的水泥生產(chǎn)線，回轉(zhuǎn)窯共有3個窯墩，靠近窯頭的基礎(chǔ)為1#墩，靠近窯尾的基礎(chǔ)為3#墩，中間的基礎(chǔ)為2#墩。1#窯墩與2#窯墩為形似框架的基礎(chǔ)，3#窯墩為墻式基礎(chǔ)。因窯筒體內(nèi)的物料沿縱向向窯頭傾斜下行，1#窯墩高度低于2#窯墩，另外回轉(zhuǎn)窯和窯墩組成為類似3點支撐的連續(xù)梁，因此2#窯墩的荷載比其他窯墩大。本文選用2#窯墩為例進行窯墩在非正常工作工況下的內(nèi)力和應(yīng)力分析，計算軟件分別采用有限元軟件SAP2000和PKPM模塊中的PK模塊。

2#窯墩各組成構(gòu)件的幾何尺寸：豎向構(gòu)件的截面尺寸為4.4 m×1.5 m×8.736 m（長×寬×高），頂部尺寸為8.15 m×4.4 m×2.737 m（長×寬×高）。

荷載工況：豎向荷載為7 330 kN，方向垂直向下，設(shè)備荷載產(chǎn)生的縱向水平力為846.4 kN，方向為平行于窯墩短方向，橫向水平力為2 116.0 kN，方向為平行于窯墩基礎(chǔ)長方向，為方便進行比較，所有荷載均按恒荷載輸入。

2 計算模型

PKPM模型為圖2a所示平面框架線單元模型，此模型主要用于基礎(chǔ)長方向各構(gòu)件的內(nèi)力計算分析，荷載工況為豎向荷載，橫向水平力。如需計算窯體傳遞給基礎(chǔ)的縱向水平力產(chǎn)生的內(nèi)力，需要另外建立一個懸臂柱模型進行計算分析，懸臂柱的截面尺寸根據(jù)剛度相同的原則一般取圖2a所示兩立柱（豎向構(gòu)件）合并后的尺寸，比如本例的柱的截面尺寸為4 400×3 000，高度為豎向構(gòu)件長度加水平構(gòu)件的高度。

圖2 回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)計算模型

SAP2000模型為圖2b所示實體有限單元模型[4]，為了使設(shè)計分析后的應(yīng)力結(jié)果能精確反映構(gòu)件的受力狀態(tài)，且加快軟件分析的速度，在建模時根據(jù)窯墩基礎(chǔ)各構(gòu)件的幾何尺寸，對窯墩基礎(chǔ)的有限元單元進行如下劃分：豎向構(gòu)件的橫剖面共計21個節(jié)點12個單元，水平構(gòu)件橫剖面共計35個節(jié)點24個單元。荷載工況為豎向荷載、橫向水平力、縱向水平力。

3 計算結(jié)果

采用上述兩種不同的計算模型在相同荷載工況下計算的窯基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)變形和各構(gòu)件不同部位的內(nèi)力結(jié)果（標準值）如表1和表2。

4 計算結(jié)果對比分析及配筋設(shè)計建議

窯基礎(chǔ)的豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件的受力狀態(tài)不同，分屬兩類不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，下文將窯基礎(chǔ)拆分成豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件，分別對窯墩基礎(chǔ)的受力性能進行分析。

4.1 豎向構(gòu)件

內(nèi)力計算結(jié)果對比：兩種計算方法結(jié)果顯示相同位置出現(xiàn)相同方向的內(nèi)力，但內(nèi)力的大小存在差異，SAP2000的計算結(jié)果中軸力和彎矩均小于PK計算結(jié)果，其中所有豎向構(gòu)件底部軸向力之和差453.3 kN，減少了約3.55%，豎向構(gòu)件的彎矩頂部或底部彎差異約15%～27%。

表1 窯基礎(chǔ)內(nèi)力計算結(jié)果對比

表2 窯基礎(chǔ)變形對比

原因分析：SAP2000模型是基于窯墩實際尺寸建立的實體單元模型，結(jié)構(gòu)單元連續(xù)而不重疊。PK模型構(gòu)件的計算長度采用假定，線單元的計算長度取值為構(gòu)件中心線交點之間的距離，并忽略構(gòu)件的截面尺寸對結(jié)構(gòu)計算長度的影響，當線單元的長度遠遠大于截面尺寸時，由此產(chǎn)生的計算誤差可以忽略。顯然窯墩基礎(chǔ)各構(gòu)件的尺寸不滿足假定條件，因此按線單元的假定方式進行計算會產(chǎn)生較大的誤差，造成PK計算結(jié)果與實際受力狀態(tài)不符。

以豎向構(gòu)件總軸力為例，造成計算結(jié)果差異的原因是PK模型中未扣除梁柱重疊部分，重疊部分的重量為1.5×2.737×4.4×25=451.6 kN，這與兩個模型計算的差值基本相同。

水平構(gòu)件的截面尺寸很大，長度較小，其相對于豎向構(gòu)件的相對剛度很大，變形時表現(xiàn)接近于剛體，在水平力作用下近乎整體平動，從圖3a可見構(gòu)件頂部和底部變形基本相同。在進行豎向構(gòu)件內(nèi)力計算時如仍然按照PK假定確定的豎向構(gòu)件計算長度將偏大，如考慮水平構(gòu)件為理想剛體，則豎向構(gòu)件的計算長度僅考慮豎向構(gòu)件的凈高，采用PK計算后與SAP2000的計算結(jié)果將比較接近，誤差在5%左右，頂部位移也更接近于SAP2000分析結(jié)果，因此窯基礎(chǔ)基于一般假定采用線單元模型的計算結(jié)果不能正確反映結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)。即使采用上述方式來調(diào)整豎向構(gòu)件的計算內(nèi)力近似滿足實際狀態(tài)，但其結(jié)果又會影響基礎(chǔ)的其他部分，比如基礎(chǔ)底板，因為水平載荷的作用高度降低，水平力對基礎(chǔ)整體（含基礎(chǔ)底板）的傾覆力矩減小，基礎(chǔ)尺寸會減小，因此又會產(chǎn)生新的誤差。

受力狀態(tài)分析：豎向構(gòu)件在軸力和雙向彎矩作用下的豎向應(yīng)力分布見圖3b、圖3c，可以看出豎向構(gòu)件短方向的應(yīng)力分布基本符合平截面假定，短方向的一側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，另一側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力，橫截面上應(yīng)力的變化較為均勻，近乎線形變化，其應(yīng)力狀態(tài)和柱截面計算的假定基本一致。但在長方向因截面大且抵抗距大，該方向在彎矩作用下產(chǎn)生的應(yīng)力較小，全截面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。在軸力、縱向彎矩和橫向彎矩共同作用下全截面只在角度很小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力。

圖3 恒載作用下豎向構(gòu)件SAP2000計算應(yīng)力應(yīng)變簡圖

4.2 水平構(gòu)件

內(nèi)力計算結(jié)果對比：兩種計算方法結(jié)果顯示相同位置出現(xiàn)相同方向的內(nèi)力，但內(nèi)力的大小存在差異，SAP2000的計算結(jié)果中彎矩均小于PK計算結(jié)果，最大的差異為58%，左側(cè)的剪力差異較大，右側(cè)差異相對較小。

原因分析：同前豎向構(gòu)件的分析，水平構(gòu)件的長度和截面尺寸之比較小，長高比為7 070/2 737=2.58，長寬比為7 070/4 400=1.6，高寬比2 737/4 400=0.622，且豎向構(gòu)件的寬度為1 500，支座寬度較大，結(jié)構(gòu)的幾何尺寸與線單元的假定條件不符，內(nèi)力計算時結(jié)構(gòu)的計算長度取值偏大，造成計算內(nèi)力偏大，所以線單元模型計算出的內(nèi)力不能正確反映結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)。

應(yīng)力分析：外力作用下水平構(gòu)件左右兩側(cè)的應(yīng)力分布詳圖4a，從表1可知水平構(gòu)件左側(cè)處的彎矩與右側(cè)頂部的彎矩值之比5 017/4 187=1.2，而單元的實際應(yīng)力比為1.55/0.95=1.63，受彎線單元構(gòu)件在彎矩作用下截面符合平截面假定，而實際情況水平構(gòu)件各單元在彎矩作用下的應(yīng)力分布與線性受彎構(gòu)件的假定不符。

水平構(gòu)件各單元的實際受力狀態(tài)如圖4b所示，在外力作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部單元會形成如圖中主應(yīng)力的方向的壓桿和拉桿，相鄰的桿件近乎匯交在一起，所有的拉桿和壓桿將形成一個整體桁架來傳遞和承受作用在水平構(gòu)件上的外力，然后在桿件內(nèi)部通過桁架體系進行力的傳遞，最終通過端節(jié)點將水平構(gòu)件上的荷載傳遞給豎向構(gòu)件。也正是因為構(gòu)件單元應(yīng)力分布和應(yīng)力傳遞方式的變化，才會出現(xiàn)與線單元內(nèi)力計算結(jié)果的差異和如圖4a所示單元應(yīng)力不符合受彎構(gòu)件平截面假定。

圖4 單元應(yīng)力不符合受彎構(gòu)件平截面

4.3 配筋建議

如前應(yīng)力分析，窯基礎(chǔ)的豎向構(gòu)件短方向接近于壓彎構(gòu)件，按柱的設(shè)計要求配置鋼筋基本符合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際情況；而在豎向構(gòu)件的長方向因縱向水平力作用產(chǎn)生的有限元單元拉應(yīng)力較小，按柱的要求設(shè)計此側(cè)的配筋將使鋼筋量加大，造成浪費。而水平構(gòu)件的應(yīng)力分布基本上不符合梁構(gòu)件的應(yīng)力分布，所以采用梁的設(shè)計要求配置鋼筋就更加不合理。

窯基礎(chǔ)有限單元的實際應(yīng)力分布采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》3.3.3條規(guī)定的設(shè)計方法較為合適，即對三維混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，當按彈性方法分析并以應(yīng)力形式表達時，可將混凝土應(yīng)力按區(qū)域等代成內(nèi)力設(shè)計值進行計算。按上述設(shè)計方法確定的配筋還需要滿足正常使用極限狀態(tài)設(shè)計的相關(guān)要求。設(shè)計配筋的最小配筋率除豎向構(gòu)件的短方向需要滿足柱的最小配筋率要求外[5]，其他部位建議滿足《動力設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)配筋規(guī)定即可。

5 結(jié)束語

通過以上對比窯基礎(chǔ)的受力性能分析可以清晰地看到，二維計算將基礎(chǔ)簡化為梁柱線單元進行內(nèi)力計算并按梁柱構(gòu)件的構(gòu)造要求配筋，其設(shè)計結(jié)果不能全面體現(xiàn)窯基礎(chǔ)的基本設(shè)計需求，且不符合實際工作狀態(tài)，分析的精度較低，鋼筋設(shè)計比較浪費，結(jié)構(gòu)不優(yōu)化。而采用SAP2000建立符合窯基礎(chǔ)實際的計算模型進行應(yīng)力計算分析后進行基礎(chǔ)配筋，并有針對性地采用相應(yīng)的構(gòu)造要求，能做到有的放矢，設(shè)計更加優(yōu)化。

[1] 譚齊. 回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)設(shè)計計算方法及構(gòu)造[J]. 特種結(jié)構(gòu), 2007, 24(3):93-95.

[2] 林忠發(fā). 回轉(zhuǎn)窯框架式基礎(chǔ)的設(shè)計[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2010(40)增刊: 516-517.

[3] 沈杰. 地基基礎(chǔ)設(shè)計手冊[M]. 上海: 上?？茖W技術(shù)出版社, 1985.

[4] 李鑫鑫. 三支座回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)內(nèi)力有限元分析[D].武漢理工大學, 2007.

[5] 機械工業(yè)部. 動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB50040—96[ M]. 北京: 中國計劃出版社, 1996.

2016-08-31）

TQ172.622.26；TU47

B

1008-0473(2016)06-0076-04

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.06.016