回转窑基础的受力性能分析

石雪英 李国正 李国印

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610021

回转窑基础的受力性能分析

石雪英 李国正 李国印

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610021

回转窑作为水泥熟料烧成系统中的核心生产设备，其是否正常运行直接影响着整个水泥厂的生产，该设备的基础设计应给予重视。而目前，形似框架的基础设计主要停留在将窑基础简化成二维结构进行三种工作状态下静力分析阶段[1]，而结构简化为线单元计算的前提条件是单元长度尺寸远远大于单元截面尺寸且配筋计算时截面满足平截面假定，显然窑基础各组成构件的几何尺寸不满足该简化条件。采用此方法设计的结果不符合窑基础的实际受力状态，设计结果不够优化。基于SAP2000有限元分析软件，建立窑基础实体单元模型，采用与线单元模型相同的荷载工况对窑基础各组成构件进行内力和应力分析，并根据分析结果提出窑基础配筋设计的建议。

SAP2000 回转窑基础 动力设备基础 有限元分析 设计优化

0 引言

早期，回转窑基础（即窑墩）一般采用大块式基础（如图1a），由于基础的混凝土量大，后经过一次次的设计优化，将大块式基础上部受力较小的一部分混凝土挖除，形成了形似框架（如图1b）和墙式的结构形式（图1c）[2]。 墙式基础的结构竖向构件为封闭的结构墙，结构整体刚度大，相对而言安全度较高。形似框架的基础上部结构只在基础两侧的短方向上设置竖向构件，长方向在顶部设置水平构件，结构的整体刚度相对于大块式或墙式基础有较大的削弱，当回转窑纵向轴线变性后，设备处于非正常工作状态，设备会传递给基础较大的水平荷载，为保证基础上设备的正常运行，选取合理的结构构件截面尺寸和基础配筋，以使结构具有足够的刚度和承载能力[3]。本文以某5 000 t/d水泥生产线为例进行回转窑基础的受力性能分析。

图1 回转窑基础常见结构形式

1 工程概况

某5 000 t/d的水泥生产线，回转窑共有3个窑墩，靠近窑头的基础为1#墩，靠近窑尾的基础为3#墩，中间的基础为2#墩。1#窑墩与2#窑墩为形似框架的基础，3#窑墩为墙式基础。因窑筒体内的物料沿纵向向窑头倾斜下行，1#窑墩高度低于2#窑墩，另外回转窑和窑墩组成为类似3点支撑的连续梁，因此2#窑墩的荷载比其他窑墩大。本文选用2#窑墩为例进行窑墩在非正常工作工况下的内力和应力分析，计算软件分别采用有限元软件SAP2000和PKPM模块中的PK模块。

2#窑墩各组成构件的几何尺寸：竖向构件的截面尺寸为4.4 m×1.5 m×8.736 m（长×宽×高），顶部尺寸为8.15 m×4.4 m×2.737 m（长×宽×高）。

荷载工况：竖向荷载为7 330 kN，方向垂直向下，设备荷载产生的纵向水平力为846.4 kN，方向为平行于窑墩短方向，横向水平力为2 116.0 kN，方向为平行于窑墩基础长方向，为方便进行比较，所有荷载均按恒荷载输入。

2 计算模型

PKPM模型为图2a所示平面框架线单元模型，此模型主要用于基础长方向各构件的内力计算分析，荷载工况为竖向荷载，横向水平力。如需计算窑体传递给基础的纵向水平力产生的内力，需要另外建立一个悬臂柱模型进行计算分析，悬臂柱的截面尺寸根据刚度相同的原则一般取图2a所示两立柱（竖向构件）合并后的尺寸，比如本例的柱的截面尺寸为4 400×3 000，高度为竖向构件长度加水平构件的高度。

图2 回转窑基础计算模型

SAP2000模型为图2b所示实体有限单元模型[4]，为了使设计分析后的应力结果能精确反映构件的受力状态，且加快软件分析的速度，在建模时根据窑墩基础各构件的几何尺寸，对窑墩基础的有限元单元进行如下划分：竖向构件的横剖面共计21个节点12个单元，水平构件横剖面共计35个节点24个单元。荷载工况为竖向荷载、横向水平力、纵向水平力。

3 计算结果

采用上述两种不同的计算模型在相同荷载工况下计算的窑基础整体结构变形和各构件不同部位的内力结果（标准值）如表1和表2。

4 计算结果对比分析及配筋设计建议

窑基础的竖向构件和水平构件的受力状态不同，分属两类不同的结构构件，下文将窑基础拆分成竖向构件和水平构件，分别对窑墩基础的受力性能进行分析。

4.1 竖向构件

内力计算结果对比：两种计算方法结果显示相同位置出现相同方向的内力，但内力的大小存在差异，SAP2000的计算结果中轴力和弯矩均小于PK计算结果，其中所有竖向构件底部轴向力之和差453.3 kN，减少了约3.55%，竖向构件的弯矩顶部或底部弯差异约15%～27%。

表1 窑基础内力计算结果对比

表2 窑基础变形对比

原因分析：SAP2000模型是基于窑墩实际尺寸建立的实体单元模型，结构单元连续而不重叠。PK模型构件的计算长度采用假定，线单元的计算长度取值为构件中心线交点之间的距离，并忽略构件的截面尺寸对结构计算长度的影响，当线单元的长度远远大于截面尺寸时，由此产生的计算误差可以忽略。显然窑墩基础各构件的尺寸不满足假定条件，因此按线单元的假定方式进行计算会产生较大的误差，造成PK计算结果与实际受力状态不符。

以竖向构件总轴力为例，造成计算结果差异的原因是PK模型中未扣除梁柱重叠部分，重叠部分的重量为1.5×2.737×4.4×25=451.6 kN，这与两个模型计算的差值基本相同。

水平构件的截面尺寸很大，长度较小，其相对于竖向构件的相对刚度很大，变形时表现接近于刚体，在水平力作用下近乎整体平动，从图3a可见构件顶部和底部变形基本相同。在进行竖向构件内力计算时如仍然按照PK假定确定的竖向构件计算长度将偏大，如考虑水平构件为理想刚体，则竖向构件的计算长度仅考虑竖向构件的净高，采用PK计算后与SAP2000的计算结果将比较接近，误差在5%左右，顶部位移也更接近于SAP2000分析结果，因此窑基础基于一般假定采用线单元模型的计算结果不能正确反映结构的实际状态。即使采用上述方式来调整竖向构件的计算内力近似满足实际状态，但其结果又会影响基础的其他部分，比如基础底板，因为水平载荷的作用高度降低，水平力对基础整体（含基础底板）的倾覆力矩减小，基础尺寸会减小，因此又会产生新的误差。

受力状态分析：竖向构件在轴力和双向弯矩作用下的竖向应力分布见图3b、图3c，可以看出竖向构件短方向的应力分布基本符合平截面假定，短方向的一侧出现拉应力，另一侧出现拉应力，且压应力大于拉应力，横截面上应力的变化较为均匀，近乎线形变化，其应力状态和柱截面计算的假定基本一致。但在长方向因截面大且抵抗距大，该方向在弯矩作用下产生的应力较小，全截面均未出现拉应力。在轴力、纵向弯矩和横向弯矩共同作用下全截面只在角度很小区域内出现拉应力。

图3 恒载作用下竖向构件SAP2000计算应力应变简图

4.2 水平构件

内力计算结果对比：两种计算方法结果显示相同位置出现相同方向的内力，但内力的大小存在差异，SAP2000的计算结果中弯矩均小于PK计算结果，最大的差异为58%，左侧的剪力差异较大，右侧差异相对较小。

原因分析：同前竖向构件的分析，水平构件的长度和截面尺寸之比较小，长高比为7 070/2 737=2.58，长宽比为7 070/4 400=1.6，高宽比2 737/4 400=0.622，且竖向构件的宽度为1 500，支座宽度较大，结构的几何尺寸与线单元的假定条件不符，内力计算时结构的计算长度取值偏大，造成计算内力偏大，所以线单元模型计算出的内力不能正确反映结构的实际受力状态。

应力分析：外力作用下水平构件左右两侧的应力分布详图4a，从表1可知水平构件左侧处的弯矩与右侧顶部的弯矩值之比5 017/4 187=1.2，而单元的实际应力比为1.55/0.95=1.63，受弯线单元构件在弯矩作用下截面符合平截面假定，而实际情况水平构件各单元在弯矩作用下的应力分布与线性受弯构件的假定不符。

水平构件各单元的实际受力状态如图4b所示，在外力作用下，结构内部单元会形成如图中主应力的方向的压杆和拉杆，相邻的杆件近乎汇交在一起，所有的拉杆和压杆将形成一个整体桁架来传递和承受作用在水平构件上的外力，然后在杆件内部通过桁架体系进行力的传递，最终通过端节点将水平构件上的荷载传递给竖向构件。也正是因为构件单元应力分布和应力传递方式的变化，才会出现与线单元内力计算结果的差异和如图4a所示单元应力不符合受弯构件平截面假定。

图4 单元应力不符合受弯构件平截面

4.3 配筋建议

如前应力分析，窑基础的竖向构件短方向接近于压弯构件，按柱的设计要求配置钢筋基本符合结构构件的实际情况；而在竖向构件的长方向因纵向水平力作用产生的有限元单元拉应力较小，按柱的要求设计此侧的配筋将使钢筋量加大，造成浪费。而水平构件的应力分布基本上不符合梁构件的应力分布，所以采用梁的设计要求配置钢筋就更加不合理。

窑基础有限单元的实际应力分布采用《混凝土结构设计规范》3.3.3条规定的设计方法较为合适，即对三维混凝土结构构件，当按弹性方法分析并以应力形式表达时，可将混凝土应力按区域等代成内力设计值进行计算。按上述设计方法确定的配筋还需要满足正常使用极限状态设计的相关要求。设计配筋的最小配筋率除竖向构件的短方向需要满足柱的最小配筋率要求外[5]，其他部位建议满足《动力设备基础设计规范》中的相关配筋规定即可。

5 结束语

通过以上对比窑基础的受力性能分析可以清晰地看到，二维计算将基础简化为梁柱线单元进行内力计算并按梁柱构件的构造要求配筋，其设计结果不能全面体现窑基础的基本设计需求，且不符合实际工作状态，分析的精度较低，钢筋设计比较浪费，结构不优化。而采用SAP2000建立符合窑基础实际的计算模型进行应力计算分析后进行基础配筋，并有针对性地采用相应的构造要求，能做到有的放矢，设计更加优化。

[1] 谭齐. 回转窑基础设计计算方法及构造[J]. 特种结构, 2007, 24(3):93-95.

[2] 林忠发. 回转窑框架式基础的设计[J]. 建筑结构, 2010(40)增刊: 516-517.

[3] 沈杰. 地基基础设计手册[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1985.

[4] 李鑫鑫. 三支座回转窑基础内力有限元分析[D].武汉理工大学, 2007.

[5] 机械工业部. 动力机器基础设计规范GB50040—96[ M]. 北京: 中国计划出版社, 1996.

2016-08-31）

TQ172.622.26；TU47

B

1008-0473(2016)06-0076-04

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.06.016