HZS210TA4BZ型3×3塔式混凝土搅拌站结构受力分析

李 鑫，耿贵军，申明远

（廊坊中建机械有限公司，河北 廊坊 065000）

HZS210TA4BZ型混凝土搅拌站属中大型搅拌站，其生产率为190～210m3/h，是目前国内应用十分广泛的站型之一。搅拌站主体部分为装配式钢结构，由上、中排架，下部门形钢架结构，配料层、搅拌层平台等组成。其突出特点是粉料存储罐布置在搅拌站主体的上部，结构紧凑，节约了建设用地。

图1 主站结构三维图

搅拌站主楼大致可分为4层（见图1），从上而下分别为：粉料存储仓，主要由仓顶收尘器、仓体、手动蝶阀、排架、料位计和破拱装置组成；配料层平台，上分别设有胶带输送机的头架及支架、骨料暂存料斗、水泥秤、粉煤灰秤、水秤及1～2台液体外加剂秤，按配例称量好的骨料、粉料、水及液体外加剂经卸料装置送入混凝土搅拌机内；搅拌层平台，上装有1台3500L强制式搅拌机，骨料、粉料、水、外加剂称量完毕后，由卸料装置分别进入混凝土搅拌机内进行搅拌。搅拌层平台下有1个混凝土出料斗，搅拌好的混凝土可以直接外运。

1 工程概况

1.1 结构概况

搅拌站主站支架轴线距离尺寸：15384mm（长）×15384mm（宽）×12000mm（高）；主站支架层高：一层平台距地平面高4270mm，搅拌层高3640mm，计量层高3890mm；粉料筒仓直径：5350mm，筒体下锥体钢板厚8mm，直段厚5～6mm（见图2）。

图2 工程主体结构立面图

1.2 主站结构主要材料

支架上部支腿：采用钢管φ325mm×10mm；下部框架柱：采用方管：口400mm×400mm×12mm；框架梁：采用工字钢I40a（400×142×10.5）、I20a（200×100×7）；槽钢［20a（200×73×7）、［12（120×53×5.5）；结构斜撑：采用槽钢：［12（120×53× 5.5）；无缝管φ219×6；钢材材质Q235A。各层结构材料分布见图3。

2 计算依据

（1）本项目计算依据。

廊坊中建机械有限公司设计的HZS210TA4BZ型混凝土搅拌站主站结构图纸r1版。

（2）相关技术说明。

只考虑物料重和结构自重，暂不用考虑风载。

图3 各层结构材料分布

（3）主要计算内容。

结构强度和刚度的薄弱处；框架顶部工字钢I400和219钢管斜撑的螺栓连接强度，并比较219钢管斜撑两种连接方式的优劣（一个视图采用节点板连接，一个视图采用法兰对接），依据经济因素提出结构优化与补强建议。

3 主站结构设计分析

3.1 上部结构全部承装水泥（9×300t）

采用SAP2000进行钢结构框架内力分析，计算中不考虑风荷载作用，不考虑地震作用，结构设计寿命为20年。

（1）计算模型。

上部筒仓通过立柱与钢框架连接，依据连接结构，上部结构自重作用分解为集中力作用在钢框架的连接点上，如图4所示。

（2）计算结果。

①框架柱（口400×400×12）KZB2：框架柱最大轴力2708kN。框架柱KZB3、KZC3、KZB2、KZC2考虑1.2的荷载分项系数后不满足压弯构件承载力要求，不考虑荷载分项系数则满足要求。

图4 主站结构计算模型

②框架梁I40a（400×142×10.5）：顶层工字钢梁I40a抗弯能力不满足设计要求，最大弯矩494kN·m，梁的最大挠度值43.7mm。

主站结构框架梁I40a设计分析结果：顶部I40a梁不满足承载力要求，中间4根柱子不满足承载力要求。结构力学分析如图5所示。

③φ219×6圆管支撑：3轴线上杆件最大轴力为943kN，不满足要求，建议采用钢管φ245×7。

图5 主站结构框架柱设计分析图

⑤变形：整体框架结构和顶部框架结构发生的变形如图6所示。

图6 框架结构整体及框架梁变形

3.2 上部结构部分承装水泥（6×300t）

①框架柱（口400×400×12）：最大轴力为1990kN，满足承载力要求，最大应力比为0.561，考虑荷载分项系数1.2后为0.561×1.2=0.673<1，满足要求。

②框架梁I40a（400×142×10.5）：顶层工字钢梁I40a抗弯能力不满足设计要求，最大弯矩为459kN·m，梁的最大挠度值为30.5mm（见图7）。

图7 主站结构框架梁弯矩图

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3.3 螺栓连接计算

钢管支撑与框架梁间采用8.8级高强螺栓8M20连接，在钢管承装力满足要求的前提下验算螺栓连接强度。钢管支撑内力计算结果见表1。

表1 钢管支撑内力计算结果

图8 主站结构φ219×6圆管支撑轴力图

图9 框架结构整体及框架梁变形

4 结论

（1）上部结构全部盛满水泥（9×300t）时：

①框架柱（口400×400×12）：最大轴力考虑1.2的荷载分项系数后，不满足压弯构件承载力要求；不考虑荷载分项系数，则满足要求。

②框架梁I40a（400×142×10.5）：抗弯能力不满足设计要求，最大弯矩486kN·m，梁的最大挠度值43.7mm。

③斜撑［12（120×53×5.5）：最大压力为182kN，受压杆件不满足长细比要求，会发生失稳破坏。

④钢管φ219×6：3轴线上杆件最大轴力为943kN，不满足承载力要求。

（2）上部结构部分盛满水泥（6×300t）时：

①框架柱（口400×400×12）：满足要求，最大轴力为1990kN。

②框架梁I40a（400×142×10.5）：最大弯矩459kN·m，梁的最大挠度值30.5mm，抗弯能力不满足要求。

③斜撑［12（120×53×5.5）：最大压力为164kN，受压杆件不满足长细比要求，会发生失稳破坏。

④钢管φ219×6：3轴线上杆件最大轴力为933kN，不满足承载力要求。

图10 顶层框架结构布置修改建议

截面修改后（见图10），全部承装水泥时最大弯矩为390kN·m，最大位移29.5mm；部分承装水泥时最大截面弯矩为374kN·m，最大变形27.3mm。

⑤219钢管斜撑两种连接方式从受力性能上分析没有差别，主要从施工难易程度进行选择。

⑥2、3、4轴线上219钢管斜撑的螺栓连接强度不满足要求，建议采用10.9级M20高强螺栓。