HZS210TA4BZ型3×3塔式混凝土攪拌站結構受力分析

李 鑫，耿貴軍，申明遠

（廊坊中建機械有限公司，河北 廊坊 065000）

HZS210TA4BZ型混凝土攪拌站屬中大型攪拌站，其生產率為190～210m3/h，是目前國內應用十分廣泛的站型之一。攪拌站主體部分為裝配式鋼結構，由上、中排架，下部門形鋼架結構，配料層、攪拌層平臺等組成。其突出特點是粉料存儲罐布置在攪拌站主體的上部，結構緊湊，節(jié)約了建設用地。

圖1 主站結構三維圖

攪拌站主樓大致可分為4層（見圖1），從上而下分別為：粉料存儲倉，主要由倉頂收塵器、倉體、手動蝶閥、排架、料位計和破拱裝置組成；配料層平臺，上分別設有膠帶輸送機的頭架及支架、骨料暫存料斗、水泥秤、粉煤灰秤、水秤及1～2臺液體外加劑秤，按配例稱量好的骨料、粉料、水及液體外加劑經卸料裝置送入混凝土攪拌機內；攪拌層平臺，上裝有1臺3500L強制式攪拌機，骨料、粉料、水、外加劑稱量完畢后，由卸料裝置分別進入混凝土攪拌機內進行攪拌。攪拌層平臺下有1個混凝土出料斗，攪拌好的混凝土可以直接外運。

1 工程概況

1.1 結構概況

攪拌站主站支架軸線距離尺寸：15384mm（長）×15384mm（寬）×12000mm（高）；主站支架層高：一層平臺距地平面高4270mm，攪拌層高3640mm，計量層高3890mm；粉料筒倉直徑：5350mm，筒體下錐體鋼板厚8mm，直段厚5～6mm（見圖2）。

圖2 工程主體結構立面圖

1.2 主站結構主要材料

支架上部支腿：采用鋼管φ325mm×10mm；下部框架柱：采用方管：口400mm×400mm×12mm；框架梁：采用工字鋼I40a（400×142×10.5）、I20a（200×100×7）；槽鋼［20a（200×73×7）、［12（120×53×5.5）；結構斜撐：采用槽鋼：［12（120×53× 5.5）；無縫管φ219×6；鋼材材質Q235A。各層結構材料分布見圖3。

2 計算依據

（1）本項目計算依據。

廊坊中建機械有限公司設計的HZS210TA4BZ型混凝土攪拌站主站結構圖紙r1版。

（2）相關技術說明。

只考慮物料重和結構自重，暫不用考慮風載。

圖3 各層結構材料分布

（3）主要計算內容。

結構強度和剛度的薄弱處；框架頂部工字鋼I400和219鋼管斜撐的螺栓連接強度，并比較219鋼管斜撐兩種連接方式的優(yōu)劣（一個視圖采用節(jié)點板連接，一個視圖采用法蘭對接），依據經濟因素提出結構優(yōu)化與補強建議。

3 主站結構設計分析

3.1 上部結構全部承裝水泥（9×300t）

采用SAP2000進行鋼結構框架內力分析，計算中不考慮風荷載作用，不考慮地震作用，結構設計壽命為20年。

（1）計算模型。

上部筒倉通過立柱與鋼框架連接，依據連接結構，上部結構自重作用分解為集中力作用在鋼框架的連接點上，如圖4所示。

（2）計算結果。

①框架柱（口400×400×12）KZB2：框架柱最大軸力2708kN?？蚣苤鵎ZB3、KZC3、KZB2、KZC2考慮1.2的荷載分項系數后不滿足壓彎構件承載力要求，不考慮荷載分項系數則滿足要求。

圖4 主站結構計算模型

②框架梁I40a（400×142×10.5）：頂層工字鋼梁I40a抗彎能力不滿足設計要求，最大彎矩494kN·m，梁的最大撓度值43.7mm。

主站結構框架梁I40a設計分析結果：頂部I40a梁不滿足承載力要求，中間4根柱子不滿足承載力要求。結構力學分析如圖5所示。

③φ219×6圓管支撐：3軸線上桿件最大軸力為943kN，不滿足要求，建議采用鋼管φ245×7。

圖5 主站結構框架柱設計分析圖

⑤變形：整體框架結構和頂部框架結構發(fā)生的變形如圖6所示。

圖6 框架結構整體及框架梁變形

3.2 上部結構部分承裝水泥（6×300t）

①框架柱（口400×400×12）：最大軸力為1990kN，滿足承載力要求，最大應力比為0.561，考慮荷載分項系數1.2后為0.561×1.2=0.673<1，滿足要求。

②框架梁I40a（400×142×10.5）：頂層工字鋼梁I40a抗彎能力不滿足設計要求，最大彎矩為459kN·m，梁的最大撓度值為30.5mm（見圖7）。

圖7 主站結構框架梁彎矩圖

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3.3 螺栓連接計算

鋼管支撐與框架梁間采用8.8級高強螺栓8M20連接，在鋼管承裝力滿足要求的前提下驗算螺栓連接強度。鋼管支撐內力計算結果見表1。

表1 鋼管支撐內力計算結果

圖8 主站結構φ219×6圓管支撐軸力圖

圖9 框架結構整體及框架梁變形

4 結論

（1）上部結構全部盛滿水泥（9×300t）時：

①框架柱（口400×400×12）：最大軸力考慮1.2的荷載分項系數后，不滿足壓彎構件承載力要求；不考慮荷載分項系數，則滿足要求。

②框架梁I40a（400×142×10.5）：抗彎能力不滿足設計要求，最大彎矩486kN·m，梁的最大撓度值43.7mm。

③斜撐［12（120×53×5.5）：最大壓力為182kN，受壓桿件不滿足長細比要求，會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

④鋼管φ219×6：3軸線上桿件最大軸力為943kN，不滿足承載力要求。

（2）上部結構部分盛滿水泥（6×300t）時：

①框架柱（口400×400×12）：滿足要求，最大軸力為1990kN。

②框架梁I40a（400×142×10.5）：最大彎矩459kN·m，梁的最大撓度值30.5mm，抗彎能力不滿足要求。

③斜撐［12（120×53×5.5）：最大壓力為164kN，受壓桿件不滿足長細比要求，會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

④鋼管φ219×6：3軸線上桿件最大軸力為933kN，不滿足承載力要求。

圖10 頂層框架結構布置修改建議

截面修改后（見圖10），全部承裝水泥時最大彎矩為390kN·m，最大位移29.5mm；部分承裝水泥時最大截面彎矩為374kN·m，最大變形27.3mm。

⑤219鋼管斜撐兩種連接方式從受力性能上分析沒有差別，主要從施工難易程度進行選擇。

⑥2、3、4軸線上219鋼管斜撐的螺栓連接強度不滿足要求，建議采用10.9級M20高強螺栓。