大型水泥厂结构设计要点及常见问题的处理方法

张 立

(合肥水泥研究设计院,合肥 230000)

大型水泥厂结构设计要点及常见问题的处理方法

张 立

(合肥水泥研究设计院,合肥 230000)

水泥厂厂房在水泥生产过程中受振动冲击大,建筑物荷载高,生产过程温度高且要承受一定的腐蚀,极易对建筑结构造成损坏。该文从大型水泥厂建筑结构设计的角度出发,简述了大型水泥厂结构设计要点,并对大型水泥厂结构设计中的常见问题进行分析并提出相应的解决方案。

大型水泥厂; 结构设计; 常见问题; 处理方法

随着我国经济的腾飞,经济建设的速度明显加快。作为工程建设基础材料的水泥,其消费量也日渐增加。在经济全球化大背景下,相关统计数据表明全球水泥产量已突破20亿t,并仍在以每年2 000万t的速度增长,而中国的水泥产量已占全球总产量的50%左右。在全国范围内,新建、改建、扩建水泥厂的项目日渐增多,为达到建设目标并保证水泥产品的质量,相关从业人员在不断改进水泥生产工艺的同时,对水泥厂相关建筑的结构设计也提出了相应要求。该文从水泥厂建筑结构设计的角度出发,对大型水泥厂结构设计中的常见问题进行了分析并提出相应的解决方案,以供同行讨论。

1 大型水泥厂结构设计流程

水泥产品的生产从生产工艺上来说,其工艺流程相对复杂,可简单概述为:矿石开采及加工(破碎或粉磨)、煅烧,熟料的加工、粉磨,成品散装、包装等几个方面。水泥厂建筑从建筑结构上分析主要包括堆场,配料库,存储库,包装厂房等,其厂房形式多种多样,主要为单层、多层厂房,砌体结构,筒仓,桁架等。上述生产厂房除满足相应的使用功能外,还要求能承受一定的荷载,抵御一定的腐蚀性。水泥厂的车间由于受使用功能的限制,常给人以简陋和呆板的印象,其生产过程所排放的大量粉尘更是严重影响了相关区域的环境及当地居民的生活质量。为此,在结构设计过程中,除注重相应的使用功能外也应特别注意建筑结构的实际使用效果。

大型水泥厂结构设计过程大致可以分为3个阶段:建筑结构方案设计阶段,建筑结构计算阶段和建筑结构施工图设计阶段。

1.1 建筑结构方案设计阶段

首先根据水泥厂的设计任务书及水泥厂建筑结构的重要性程度,结合水泥厂建筑结构所在地的抗震设防烈度、建筑结构所在地的工程地质勘查报告来确定水泥厂结构的结构形式,即是采用单层厂房结构还是砌体结构或者钢结构等基础形式等等,在此基础上确定厂房建筑的高度和层数。在确定建筑结构形式的基础上,根据水泥厂房建筑的特点和相应建筑规范布置水泥厂房结构的主要承重构件和受力构件。

1.2 建筑结构计算阶段

在建筑结构的计算阶段,首先应对荷载进行计算。其荷载可简单分为外部荷载和内部荷载。外部荷载包括雨雪荷载、风荷载、地震荷载等,内部荷载包括厂房结构恒载、设备荷载、装饰荷载等。上述荷载应根据相应规范要求采用不同的组合系数及准永久系数,从而对不同工况进行组合运算。

其次,应对构件进行试算。在上一步的基础上,根据计算得到的荷载设计值及构造要求,使用计算手册上的计算方法初步确定主要受力构件的截面尺寸。在此基础上,计算结构所受的弯矩、剪力、扭矩等应力及应变。

最后,应对构件进行计算并复核。根据上述步骤得到的应力条件,校验其是否符合规范的相应条件及构造要求。如不满足条件,需调整构件尺寸直至达到规范要求为止。

1.3 建筑结构施工图设计阶段

此阶段需要将上述所得的计算结果完整清晰的表述在施工图纸上,其最终成果应包含基础平面图、基础详图、各楼层平面图、配筋图、输送廊详图等。施工图既应满足相应的规范计算要求,又要符合最基本的构造要求,同时在一定程度上需要考虑施工过程中的具体可操作性,也只有满足上述条件的施工图纸才能满足施工过程中的各项要求。

2 大型水泥厂结构设计要点

2.1 吊挂构件设计要点

吊挂构件包括:吊挂漏斗、吊挂平台、吊挂支架、吊挂设备轨道等。针对吊挂构件进行结构设计时务必注意以下两点:

1)针对不同部位的连接节点,首先必须严格计算确保连接节点的安全性,即需考虑结构构件在实际施工过程中所受的温度荷载、振动荷载等其他不利荷载。对构件与埋件的连接节点处更应高度重视其连接的可靠性,确保连接节点的力学特性。

2)针对预埋受拉构件也要进行严格计算,在锚固措施满足构造要求的前提下确保连接安全可靠。在条件允许的情况下还应对锚筋、锚板进行核算。

2.2 悬臂构件结构设计要点

悬臂构件包括:悬臂梁、板、柱等。针对悬臂构件进行结构设计时务必注意以下几点:

1)确保构件的稳定性。考虑到悬臂构件受到振动等不利荷载的影响,在保证建筑构件安全性的基础上,务必采用有效措施保证悬臂构件的侧向稳定性。

2)钢筋混凝土悬臂梁下部钢筋宜采用受拉锚固,在一定条件下可适当加强,以抵御实际施工和使用过程中可能出现的下部受拉荷载。

3)悬臂构件上不宜放置任何形式的振动设备,对长悬臂构件在进行结构设计计算时应考虑8度以上的地震影响。

2.3 输送头尾轮处建筑结构设计要点

在建筑结构计算阶段,应注意输送机头尾轮处受力埋件及其受力设备基础的受力状态,其应包括:头尾轮处受力埋件、受力设备基础、受力支墩、拉链机基础、胶带翻转装置的拉力支墩等。在对此类构件进行结构设计时务必注意以下几点:

1)对受力预埋构件务必合理计算其受力状态,保证构件本身的安全性,并在一定程度上保证构件连接处的可靠性(必要条件下可对其进行核算)。

2)对于楼板上受力设备的基础或者其支墩结构,设计时应按其受力状态进行抗弯抗压计算,并在图纸中清晰的表述其配筋量,并要求其与楼板一起整体浇筑以期更好的参与楼板受力。

3)对于楼板上受力设备的基础或者其支墩结构除应进行上述2)中的计算外,还应特别注意对其进行抗倾覆和抗滑验算。

4)在对熟料库拉链机基础进行计算时,考虑到其所受拉力较大,设计时务必保证加大框架高度,以期在一定程度上控制其侧向位移。

2.4 控制相邻车间的位置关系

1)相邻车间基础间的位置关系。窑尾提升机地坑不要与生料库基础相碰。窑头冷却机地坑不要与窑墩基础相碰。废气处理各部分之间基础不要相碰等。

2)相邻车间上部构件的位置关系。窑中走道平台不要与窑头梁相碰等。

3)输送天桥与车间的位置关系。输送桁架牛腿、埋件等处于另一车间不要遗漏,且标高位置应核对准确。在车间附近,除特殊条件外,一般不另立支架,改用牛腿支承。

2.5 控制输送支架与道路的关系

1)支架位置应避开道路,并与总图专业确认。支架位置还应考虑路边排水沟等设施。

2)道路上面应有足够的净空。

3)即使不在道路处,输送桁架离地面不宜太低。当输送标高较低时,不宜采用大跨度钢桁架。

2.6 控制主要设备基础、螺栓孔及孔洞定位

1)所有设备基础孔洞的定位中心线。应标注明确,注明中心线名称。

2)窑、磨等大型设备基础。其布置图和详图的螺栓孔平面图应严格按比例、按规定绘制,螺栓孔不允许简化表示。

3)设备基础上的螺栓孔。其定位应按工艺尺寸标注,不宜进行换算,也不宜增加分尺寸。

4)孔洞的边梁。条件许可时,孔洞处的梁尽量距离洞边一定距离。

3 大型水泥厂结构设计中的常见问题及解决办法

从水泥生产的工艺流程可以看出水泥的生产过程具有下述特点:生产过程中的振动冲击较大,建筑所受荷载较大,生产过程中的温度较高并具有相当程度的腐蚀性。水泥产品生产过程中的上述特点决定了水泥厂建筑结构必须能够承受较大的振动与冲击作用,能承受较大的荷载,能够承受生产过程中巨大的热量辐射,同时在一定程度上抵御生产过程中副产品的腐蚀性。根据水泥生产过程中的上述特点,该文对水泥厂建筑与结构设计中的常见问题做了简单的初步讨论。

通过对已建成的水泥厂房的调查,并结合相关研究资料,发现规模较大水泥厂在结构设计方面存在普遍性问题,具体表现如下:

1)因温度荷载作用,靠近高温设备的混凝土构件(梁、板、柱)极易发生破坏。

2)动力设备附近因其振动较严重,设备基础构件损坏严重,楼面设施也有一定程度的损坏。

3)在堆场、堆棚、成品库等厂房内因堆积物荷载较大造成地面沉降不均匀。

4)砖筒仓开裂,钢筒仓整体倾斜。

5)成悬臂状态的混凝土雨棚被压坏。

上述问题在一定程度上普遍存在,究其成因,绝大部分为在结构设计过程中没有充分考虑建筑物构件的实际受力状态。因对建筑物构件的荷载不明确而未对雨棚、钢筒仓、砖筒仓等做相应的防范措施,这必将影响水泥生产过程。在一定条件下,甚至会对水泥生产企业造成不可挽回的经济损失。

通过对上述问题的分析,结合相应的施工设计经验,该文得出以下几点经验,以期避免水泥厂生产过程中的构件病害:

1)在腐蚀性较高的厂房内,建筑构件不宜使用厚度小于6 cm的薄壁构件,混凝土结构的保护层厚度也应低于30 mm。由于厂房内生产工艺的腐蚀性环境对混凝土结构的耐久性提出了较高的要求,因此要十分注意控制建筑构件的裂缝宽度。

2)在特殊情况下可将建筑结构上部的悬挑钢平台作为操作平台,其能有效的减小建筑结构的跨度。同时,将建筑结构上部的悬挑钢平台作为操作平台也可减少建筑结构的层数。

3)在适当情况下,可将建筑结构上部的悬挑平台作为提升机和其他建筑生产设备的检修平台。其不仅可以在不增加结构跨度的前提下保证生产设备的可操控性,从建筑结构受力角度分析还能有效减少框架结构中主梁的跨中弯矩值,进而可减小梁的截面高度,保证在不增加建筑层数的前提下获得足够的操作空间。

4 结 语

该文从建筑结构设计出发,简要阐述了大型水泥厂结构设计要点,并在相关调研基础上总结了水泥厂结构设计中的常见问题及相应的解决方法,以保证水泥厂的正常使用及水泥生产的安全性和经济性。同时,广大施工设计人员应认真学习相应规范和施工技术,提高自身专业能力,认真负责的完成屋面工程的建设工作,以期更好地为我国社会主义现代化建设服务。

[1] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

[2] 张世翔,董哲武.某水泥厂原料堆棚车间厂房倒塌事故分析[J].水泥科技,2005,13(3):6-7.

[3] 郭 云.水泥厂钢结构厂房维护系统的设计选材与施工[J].水泥技术,2010,27(1):94-97.

[4] 沈梦来.基于ANSYS软件平台的某工业厂房结构优化设计[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[5] 马一龙.水泥厂结构设计常遇问题的处理办法[J].建材发展导向,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.

张 立(1981-),工程师.E-mail:41534139@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.017