中外回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算方法

張媛媛，張 立，胡 穎

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，合肥230051）

水泥廠主體結(jié)構(gòu)之一的回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，在整個水泥廠的土建設(shè)計(jì)中占有很重要的地位。整個結(jié)構(gòu)是否合理、安全，關(guān)系到整個水泥廠的建設(shè)投資及今后是否能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時，由于回轉(zhuǎn)窯的荷載較大，受力很復(fù)雜，不僅承受豎向力還有兩軸的水平力和彎矩，在設(shè)計(jì)時，要求結(jié)構(gòu)安全度很高。特別是在對外工程中，各個國家對于回轉(zhuǎn)窯的工況組合的規(guī)定也不相同，所以在設(shè)計(jì)時需要根據(jù)具體的情況設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)。

1 回轉(zhuǎn)窯及其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介

回轉(zhuǎn)窯是水泥廠鍛燒物料的主要設(shè)備，其規(guī)格由筒體的內(nèi)徑及長度來表示。筒體的內(nèi)徑一般為1.8～6m，長度為30～180m，浮放在3～9對托輪上，兩托輪中心線與窯體斷面中心線之間的連線夾角為60°，托輪組數(shù)視窯的直徑及長度而定。窯體荷載通過托輪底座傳遞給窯基礎(chǔ)，回轉(zhuǎn)窯及基礎(chǔ)如圖1所示。

回轉(zhuǎn)窯的驅(qū)動是由電動機(jī)通過減速機(jī)和大小牙輪來完成。回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)數(shù)很低，一般小于3r／min。由于筒體轉(zhuǎn)速小，物料在筒體內(nèi)不能形成圓周運(yùn)動，故不產(chǎn)生簡諧離心力。運(yùn)轉(zhuǎn)時的動力影響很小，窯基礎(chǔ)可以不做動力計(jì)算。

回轉(zhuǎn)窯的窯體具有3%～5%的斜度，由窯尾坡向窯頭，物料從窯尾進(jìn)入，火焰由窯頭噴入，形成物料與火焰的對流。由于窯內(nèi)溫度高，窯體將會發(fā)生變形，有時還會導(dǎo)致某一個托輪脫空，造成基礎(chǔ)受力不均勻。

回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)由傳動基礎(chǔ)、托輪基礎(chǔ)等多個獨(dú)立基礎(chǔ)組成。為使剛性窯體安全運(yùn)轉(zhuǎn)，對于軟弱地基或高壓縮地基，應(yīng)采取必要措施（如控制各基礎(chǔ)間的地基使用強(qiáng)度或采用人工地基）減小同一設(shè)備基礎(chǔ)間的沉降差。

2 我國回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)分析計(jì)算方法

我國回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)的計(jì)算采用靜力計(jì)算法。動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊指出在計(jì)算時，除對齒輪的傳動力考慮2.0的動力系數(shù)外，其它荷載均不考慮動力系數(shù)。國內(nèi)計(jì)算時，托輪荷載分布，如圖2所示。

2.1 荷載

在驗(yàn)算回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)地基承載力時應(yīng)考慮下列荷載：托輪傳遞的窯體荷載（包括垂直荷載和水平荷載）、牙輪驅(qū)動時所傳遞的荷載、電機(jī)及減速機(jī)與托輪底座的重量、基礎(chǔ)及臺階上的回填土重、工作走道傳遞的荷載等。

2.2 工況與荷載分析

回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)計(jì)算時應(yīng)分3種工況進(jìn)行荷載分析，第3種工況荷載通常是基礎(chǔ)的控制荷載。

2.2.1 第1種工況 窯體正常運(yùn)轉(zhuǎn)時

托輪荷載如圖2（a）。如在地震區(qū)建造，應(yīng)與地震荷載組合。

托輪傳遞的垂直荷載為F1，此時

托輪與輪帶間產(chǎn)生的縱向水平力為H1

式中，f1為托輪與輪帶的靜摩擦系數(shù)，取0.2；θ為托輪中心與窯體中心連線和垂直線夾角，一般取用30°；H1近似地作用在拖輪中心線上。

2.2.2 第2種工況 窯體發(fā)生縱向變形時

考慮筒體在高溫下引起輪帶不圓或筒體稍有彎曲變形，托輪傳遞荷載不均勻，計(jì)算時托輪傳遞的垂直荷載乘以1.5不均勻系數(shù)。

托輪傳遞的垂直荷載為F2，此時

縱向水平力為H1a（作用點(diǎn)同H1）

式中，f2為托輪與輪帶的動摩擦系數(shù)，取0.1。

2.2.3 第3種工況 1個托輪脫空時

當(dāng)窯體或者輪帶發(fā)生較大變形，致使一個托輪脫空，如圖2（b）所示。此時在該托輪基礎(chǔ)上，僅有一個托輪受力，垂直荷載要考慮不均勻系數(shù)1.3。

此時，垂直荷載

縱向水平力

橫向水平力（與窯體垂直方向）

2.2.4 窯體縱向推力（擋輪荷載）

由于窯體縱向設(shè)有3%～5%斜率，運(yùn)轉(zhuǎn)時因自重下滑，或由于一對托輪不平行使運(yùn)轉(zhuǎn)時整個窯體上竄，為此在個別基礎(chǔ)上設(shè)有防止下滑或上竄的一對水平擋輪，見圖2（c）。擋輪縱向水平力H3作用在擋輪軸承中心線處，則

式中，β為窯筒體傾斜角；∑Fi為所有托輪上承受的垂直荷載總和；H3與H1、H1a、H1b不需同時考慮，取其最大者。

2.2.5 牙輪驅(qū)動時傳遞給基礎(chǔ)的水平力

此時水平力，如圖3所示。

式中，H4為大牙輪對小牙輪作用力的水平分力；Fb為大牙輪對小牙輪作用力的垂直分力；H5為窯體對傳動基礎(chǔ)托輪上的水平力；H6為窯體對牙輪相鄰的基礎(chǔ)托輪上的水平力；L為傳動基礎(chǔ)托輪中心線與相鄰基礎(chǔ)托輪中心線間的距離；N為齒輪傳動力；α為齒輪傳動力與水平線的夾角。

2.3 荷載組合

根據(jù)托輪傳遞荷載的3種情況分別進(jìn)行組合，地震荷載僅與第1種工況窯體正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的荷載相組合。3種荷載組合見表1。

表1 回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合分布

2.4 地基承載力計(jì)算

地基承載力計(jì)算力，見式（12）

水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50295—2008）第8.8.4規(guī)定，回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)的地基反力，不宜出現(xiàn)拉力。同一設(shè)備的相鄰兩個基礎(chǔ)直接不均勻差異沉降量不應(yīng)大于10mm。

3 國外項(xiàng)目中回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)分析計(jì)算方法

涉外項(xiàng)目一般會在合同中規(guī)定各專業(yè)設(shè)計(jì)需滿足的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。若合同規(guī)定土建設(shè)計(jì)需滿足他國規(guī)定，設(shè)計(jì)人員應(yīng)事先熟悉。在回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，各國規(guī)定不盡相同，但大多和上述方法相似，只是系數(shù)取值略有不同。下面介紹一種歐洲某國適用的荷載計(jì)算方法。此時，托輪荷載分布，如圖4所示。

3.1 荷載描述

圖4中各符號含義為：P：托輪自重（包括軸承）。G：底座自重。此荷載假定均勻作用在基礎(chǔ)上，此荷載未在圖4中標(biāo)出。N1，N2，N3，N4：窯體重。F：由窯彎曲引起的荷載。V1，V2：由托輪和窯摩擦引起的軸向荷載，平均作用在2個托輪上，作用點(diǎn)為托輪和窯的接觸點(diǎn)記為X，需考慮兩個方向。H1，H2，H3，H4：窯體作用在擋輪上的荷載，作用點(diǎn)記為Y。結(jié)構(gòu)計(jì)算時，P，G，N1，N2，N3，N4，H1，H3和H4為恒載，而F，V1，V2和H2為活載。N1，N2，N3和F通過托輪傳遞，托輪與窯體連線與豎直線夾角約30°。水平力將引起底座與混凝土交接面的剪力，此部分應(yīng)加強(qiáng)。

3.2 工況分析

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時考慮4種工況，荷載P，G是4種工況都要考慮的荷載。

L1正常工況（正常運(yùn)轉(zhuǎn)）

窯體任何的不均勻都會產(chǎn)生隨窯旋轉(zhuǎn)的荷載F，在F和N1的共同作用下，基礎(chǔ)將承受不同的豎向荷載和水平荷載。同時要考慮軸向荷載V1和擋輪荷載H1。

L2非正常工況（罕見運(yùn)轉(zhuǎn)，對稱情況）

較大的溫差會引起筒體彎曲變形，導(dǎo)致豎向荷載N2和軸向摩擦力V2增大。當(dāng)在不加栓的情況下停窯，擋輪荷載H2將增大。

L3非正常工況（罕見運(yùn)轉(zhuǎn)，不對稱情況）

當(dāng)轉(zhuǎn)動一個彎曲變形的窯，荷載N3將僅僅作用在一個托輪上。

L4正常工況（停窯檢修）

檢修時，窯體被千斤頂頂起，脫離托輪，基礎(chǔ)需承受千斤頂傳來的壓力。

表2給出了某國5 000t／d水泥生產(chǎn)線各工況荷載值。

表2 某國5 000t／d水泥生產(chǎn)線各工況荷載值 kN

4 結(jié) 語

回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)隨著計(jì)算力學(xué)和計(jì)算手段的發(fā)展和進(jìn)步，其設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)和更新，各國計(jì)算方法各不相同。上述我國的計(jì)算方法中，第3種工況荷載通常是基礎(chǔ)的控制荷載。但在其他國家的計(jì)算方法中，沒有固定的控制荷載，設(shè)計(jì)時仍需對每個工況進(jìn)行考慮。回轉(zhuǎn)窯基礎(chǔ)可采用大塊式混凝土基礎(chǔ)，也可采用墻式、箱式及框架式鋼筋混凝土基礎(chǔ)。該文中公式（9）與參考文獻(xiàn)［2］不同，為作者個人觀點(diǎn)，供大家參考討論。

［1］ GB 50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 第一機(jī)械工業(yè)部設(shè)計(jì)研究總院.動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

［3］ 沈 杰.地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［4］ GB 50295—2008，水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.