浅谈水泥厂的建筑结构设计

周俊

（江苏省建筑材料研究设计院有限公司，江苏 南京210000）

0 引言

在水泥厂工业设计中， 要做到节能、 环保、安全、协同、技术先进、经济合理。 建筑结构设计的绿色环保、安全合理是一个重要环节。 在水泥厂建筑结构设计中，除满足生产工艺的要求外，还应采用符合国家产业政策的结构、新材料、新技术。

1 厂区建筑设计的复杂性

1.1 满足工艺及环保要求的分析

水泥工业建筑具有占地范围广、流程复杂、建筑设计与工艺流程联系紧密的特点。 在建筑设计中，应充分考虑生产工艺的要求，以生产工艺为主线，进行建筑布局，需要将建筑设计与工艺流程有机结合起来。 在设计中要深入分析各道工艺、工序、工段之间的相互联系。 除考虑固定的生产工艺系统及设备外， 还需考虑生产过程的交通运输方式及通道，以实现建筑内部及外部良好的衔接。

环境保护设施应与主体工程同时设计、 同时施工、同时投入使用。 对废气、废水、废物、噪声、振动等污染要有防治设施，做到以防为主、防治结合。厂区绿化应结合当地自然条件、植物生态习性和抗污性能设计。

1.2 建筑平面布置

对建筑平面的功能划分、功能布置要方便日常生产和管理。厂区及功能分区各项设施的布置应紧凑协调、外形规整划一、合理划分功能分区。建筑布局应利用地形、地貌、地势条件统筹规划。

道路连接应方便快捷，人流和物流交通避免交叉干扰。 生产设施间联系紧密，输送机廊布置简捷顺畅。 厂区通道宽度应满足两侧建筑物对防火、防尘、防振动、防噪声及安全卫生间距的要求。厂房的设计和设备不得影响检修起重设施的运行和物件的起吊；预均化堆场应设置封闭厂房；氧气、乙炔瓶库及煤粉制备等厂房的布置应满足防火防爆的间距和要求；窑尾烟囱宜布置在生产区全年最小频率风向的上风侧；厂区动力、公用设施应布置紧凑合理，并宜留有扩建余地；生产管理及生活设施布置合理，环境适宜，艺术风格要与当地建筑相协调。

1.3 建筑竖向布置

竖向设计应与总平面设计同时进行，竖向设计方案应按厂区交通运输、工艺流程、发展规划、雨水排除、水文地质、地形地貌及气象等因素确定。厂区不应被洪水、潮水及内涝淹浸。 厂区出入口道路路面标高宜高于厂外道路路面标高， 并应连接平顺。竖向设计应采用平坡式或阶梯式，当场地较为平坦时，宜采用平坡式布置，当场地较陡时，应采用阶梯式布置，台阶的划分应与厂区功能分区一致。

2 厂区结构设计的安全性

2.1 基础设计

厂区场地选择应避开危险地段。建筑物及构筑物的基础宜采用天然地基，当天然地基的承载力或变形不满足要求以及消除地基液化沉陷和软黏性土地基震陷时，应采用人工地基。当结构位于斜坡、坡顶、坡脚附近时，应计算分析斜坡的稳定性及其对结构的影响，并采取相应措施。 基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性的要求。 同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上，同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用人工地基。 基础的地基反力不宜出现零应力区。 同一设备的相邻两基础之间的不均匀差异沉降量不应过大。 附近有大面积堆料时，应考虑堆料对建（构）物基础的影响，并对差异沉降采取相应的措施。 大型动力设备基础应设计成墙式或大块式，并控制顶面的振幅，保证设备基础自身的刚度和强度。

2.2 结构选型及材料

水泥厂建（构）筑物的安全等级一般为二级。结构体系应根据工艺和功能要求、 抗震设防类别、抗震设防烈度、结构高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件比较后确定。 多层厂房宜采用现浇混凝土框架结构，单层厂房宜根据跨度采用钢结构或钢筋混凝土结构。预热器塔架的底层宜采用钢筋混凝土结构，上部宜采用钢结构或钢混结构。筒仓采用现浇钢筋混凝土结构或预应力结构， 筒仓边的提升机楼与筒仓为一整体。 大跨度堆场采用钢结构，厂房的柱网应整齐符合模数，大型设备基础、地坑等宜与柱基础分开。

普通砖和多孔砖的强度等级不应低于M10，砌筑砂浆等级不应低于M5。 混凝土强度等级一般不低于C30。 钢筋应满足屈强比，并应有足够的延性及伸长率。 结构用钢材应采用延性、韧性和焊接好的钢材。

2.3 抗震设计

水泥厂建（构）筑物的抗震设防分类一般为丙类。应重视结构的抗震概念设计对抗震性能及经济合理性的影响。 结构设计应符合平面、立面和竖向剖面的规则性要求，选用规则的形体，不应采用严重不规则的结构设计。抗侧力结构的平面布置宜规则对称，侧向刚度沿竖向宜均匀变化，避免结构的侧移刚度和承载力突变。 体型复杂、平面立面特别不规则的建（构）物，可在适当部位设置防震缝，并留有足够的宽度， 其两侧的上部结构应完全分开。应有符合要求的抗震承载力、变形能力和消耗地震能量的能力。 宜有多道抗震防线，且具有合理的刚度和承载力分布，避免产生过大因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。 结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。

钢筋混凝土框架结构，抗侧力构件宜对称均匀布置。 竖向构件截面尺寸宜自下而上逐渐减小，并做到强柱弱梁、强节点、强锚固。钢筋混凝土筒仓宜简单、规则，质量和刚度分布宜均匀对称，宜选用筒壁支承形式或筒壁与柱混合支承的结构形式。钢结构构件的尺寸应合理控制，避免局部失稳或整个构件失稳，钢结构支撑系统应能保证地震时结构的整体性和稳定性，保证可靠地传递水平地震作用。

2.4 荷载及结构计算分析

荷载的计算包括自重荷载、使用荷载、储料荷载、风荷载、雪荷载、积灰荷载、施工荷载、地下水浮力及地震作用的计算。使用荷载应根据生产实际情况确定； 设备荷载应根据工艺要求的数值采用，应将其分解为永久荷载和可变荷载；储料荷载的重力密度、内摩擦角和摩擦系数无试验资料时按规范采用。

结构计算应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。计算模型的建立和简化计算处理应符合结构实际工作状态。当采用计算机进行结构抗震分析时，对计算结果应分析判定其合理性和有效性，再用于工程设计，并确保结构主体能够在相应等级的地震灾害下保持整体完好。结构应按多遇地震作用进行内力分析和变形分析，可假定结构与构件处于弹性工作状态，内力和变形分析可采用线性静力方法或线性动力方法。钢筋混凝土结构及钢结构应根据设防类别、烈度、结构类型和结构高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。高宽比大于4 的框架，应计入风振系数，并且顶点水平位移不应大于H/500；地坑的计算应包括强度计算、抗浮计算、裂缝计算。

2.5 结构抗磨防腐设计

长期处于磨损工作状态下的结构构件应采取抗磨措施，且结构外应单独设置耐磨层，并应定期检查更换。 在水泥厂建筑结构设计中，钢结构及钢构件使用较多，需要做好结构防锈防腐，避免在使用过程中因腐蚀问题引发结构危险。在使用金属材料时，需要在其表面涂刷致密的防腐蚀材料，提高其环境抵抗能力。

3 结语

综上所述， 水泥厂的建筑结构设计是一个系统、全面、复杂的工作。 通过生产工艺的进步、装备技术的提高、 建筑布局的创新及结构选型的合理，可以促进水泥厂建筑结构设计水平的提高。应重视建筑的绿色环保概念设计， 创造环境优美的厂区。重视结构的抗震概念设计， 降低结构安全风险，满足工艺和生产功能的要求。