旋窯基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王汀

(江蘇省建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 210009)

0 引言

旋窯基礎(chǔ)屬于特種結(jié)構(gòu)，沒有與之相匹配的專門電算軟件，這就要求設(shè)計(jì)者應(yīng)了解旋窯設(shè)備基本裝備知識(shí)，厘清設(shè)計(jì)思路，研究實(shí)際可能發(fā)生的荷載效應(yīng)組合，具備一定的手工計(jì)算和設(shè)計(jì)能力。

1 旋窯常見工藝布置

旋窯主體通常為長(zhǎng)30～150 m、直徑1.8～6 m的鋼制圓筒，中間有3～5個(gè)滾圈，筒體多由工廠加工成3～10段，傳動(dòng)部位在筒體尾部(高端)或中段，各段在筒圈部位由托輪浮托在窯墩上，如圖1、2所示。生料經(jīng)窯尾預(yù)熱器加熱后進(jìn)入窯體，電機(jī)通過牙輪傳動(dòng)，其余托輪隨筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，窯體內(nèi)的物料不斷翻滾前行，噴煤(油)管從頭部(低端)伸入窯體對(duì)生料進(jìn)行加熱煅燒，生料經(jīng)過物理化學(xué)變化后由窯頭出料。

圖1 三個(gè)基礎(chǔ)頭部傳動(dòng)

圖2 四個(gè)基礎(chǔ)中部傳動(dòng)

2 旋窯基礎(chǔ)荷載效應(yīng)計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)把旋窯基礎(chǔ)分為兩類：托輪基礎(chǔ)(1#2#4#)和牙輪傳動(dòng)基礎(chǔ)(3#)，以圖1三個(gè)基礎(chǔ)形式為例。

2.1 1#基礎(chǔ)

1#基礎(chǔ)恒荷載Wd應(yīng)包括地面以上鋼筋混凝土墩身、地面以下基礎(chǔ)底板及覆土自重，托輪底座二次澆筑層較厚，其自重不應(yīng)遺漏。對(duì)于比較大的旋窯基礎(chǔ)通常會(huì)從中間挖空形成兩支腿，以減輕自重、節(jié)約混凝土用量。

2.1.1 窯體正常運(yùn)轉(zhuǎn)

三次風(fēng)管荷載V1和托輪所受法向力Wm1由工藝提資，由于筒體縱向存在坡度，窯體正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由Wm1產(chǎn)生托輪與輪帶間的縱向水平力H1并作用在托輪上。該縱向水平力H1對(duì)窯墩基礎(chǔ)產(chǎn)生力矩，力臂長(zhǎng)度應(yīng)算至基礎(chǔ)底面。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3。

圖3 1#基礎(chǔ)窯體正常運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)算

計(jì)算公式見式（1）～（3）：

2.1.2 窯體發(fā)生少許變形

窯體變形致托輪受荷不均，此時(shí)托輪所受荷載放大，計(jì)算簡(jiǎn)圖參前。計(jì)算公式見式（4）～（7）：

2.1.3 窯體或輪帶發(fā)生較大變形(筒體起拱)

窯體或輪帶發(fā)生較大變形時(shí)一側(cè)托輪落空，另一側(cè)托輪承受全部荷載，因此相鄰基礎(chǔ)Wmi垂直荷載放大1.3倍作用在本基礎(chǔ)，并產(chǎn)生縱向水平力H1b和橫向水平力H2，使窯基礎(chǔ)不僅承受縱向力矩Mx，同時(shí)承受橫向力矩My。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖4。

圖4 窯體或能帶發(fā)生較大變形時(shí)計(jì)算

計(jì)算公式見式（8）～（13）：

2.1.4 1#基礎(chǔ)形心調(diào)整

1#基礎(chǔ)形心調(diào)整后的計(jì)算公式見式（14）：

式中，Ly為三次風(fēng)管與窯中心線距離，由工藝提資。

2.2 2#基礎(chǔ)

2#基礎(chǔ)與1#基礎(chǔ)類似，不同的是因?yàn)榕R近3#牙輪傳動(dòng)基礎(chǔ)，傳動(dòng)牙輪圓周力(橫向荷載)H4會(huì)向2#和3#基礎(chǔ)傳遞，把它們記作H6、H5。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖5。

圖5 2#基礎(chǔ)計(jì)算

計(jì)算公式見式（15）～（16）：

2.2.1 窯體正常運(yùn)轉(zhuǎn)

窯體正常運(yùn)轉(zhuǎn)的計(jì)算公式見式（17）～（20）：

2.2.2 窯體發(fā)生少許變形

窯體發(fā)生少許變形的計(jì)算公式見式（21）～（25）：

2.2.3 窯體或輪帶發(fā)生較大變形（筒體起拱）

窯體或輪帶發(fā)生較大變形(筒體起拱)的計(jì)算見式（26）～（31）：

2.2.4 2#基礎(chǔ)形心調(diào)整

2#基礎(chǔ)形心計(jì)算公式見式（32）：

2.3 3#基礎(chǔ)

3#基礎(chǔ)為傳動(dòng)基礎(chǔ)，不僅存在傳動(dòng)牙輪圓周力H4，還有擋輪傳遞給基礎(chǔ)的縱向荷載H3。H3應(yīng)取計(jì)算值和工藝提資的較大值。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖6。

圖6 3#基礎(chǔ)計(jì)算

計(jì)算公式見式（33）：

2.3.1 窯體正常運(yùn)轉(zhuǎn)

窯體正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)計(jì)算公式見式（34）～（37）：

2.3.2 窯體發(fā)生少許變形

窯體發(fā)生少許變形的計(jì)算見式（38）～（42）：

2.3.3 窯體或輪帶發(fā)生較大變形（筒體起拱）

窯體或輪帶發(fā)生較大變形(筒體起拱)的計(jì)算見式（43）～（48）：

2.3.4 3#基礎(chǔ)形心調(diào)

3#基礎(chǔ)形心偏心甚小可不進(jìn)行調(diào)整。

3 荷載效應(yīng)組合及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

得到前述各工況荷載效應(yīng)后對(duì)其進(jìn)行組合以確定不利組合作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的依據(jù)，組合見表1。

表1 各工況及荷載組合

通過組合確定不利荷載后按GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]進(jìn)行地基承載力復(fù)核，計(jì)算公式見式（49）～（51）：

窯基礎(chǔ)的總重心和基底形心盡量重合，當(dāng)不重合時(shí)，兩者之間的偏心距和平行偏心方向基底邊長(zhǎng)的比值不應(yīng)超過3%（fak≤150 kPa）和5%（fak>150 kPa），且滿足（GB50040—2020）《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]的要求；基底邊緣處最小壓應(yīng)力值應(yīng)大于零，地基與基礎(chǔ)之間避免出現(xiàn)受拉區(qū)；相鄰窯基礎(chǔ)之間的不均勻差異沉降量不應(yīng)大于10 mm。

當(dāng)天然基礎(chǔ)不滿足時(shí)可采用樁基礎(chǔ)，并應(yīng)驗(yàn)算樁的水平承載力，計(jì)算公式見式（52）～（55）：

無論天然基礎(chǔ)還是樁基礎(chǔ)都需注意相鄰單體窯頭、窯尾的基礎(chǔ)形式和沉降是否與窯基礎(chǔ)相適應(yīng)和協(xié)調(diào)。重點(diǎn)是在進(jìn)行荷載效應(yīng)組合時(shí)，要熟悉了解設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能出現(xiàn)的情況和在各種情況下窯基礎(chǔ)的受力狀態(tài)，關(guān)注異常情況下出現(xiàn)的不利荷載效應(yīng)。這部分工作要求設(shè)計(jì)者思路清晰，并對(duì)工藝設(shè)備專業(yè)知識(shí)有所積累。

4 窯基礎(chǔ)施工圖設(shè)計(jì)及構(gòu)造

靠近窯尾塔架的窯基礎(chǔ)的埋深應(yīng)考慮窯尾塔架柱基礎(chǔ)埋深的影響，窯頭側(cè)窯基礎(chǔ)的埋深應(yīng)注意篦冷機(jī)地溝是否在窯基礎(chǔ)底板范圍內(nèi)，窯基礎(chǔ)應(yīng)避免和窯尾、窯頭柱基礎(chǔ)碰撞，窯基礎(chǔ)底板外形的確定應(yīng)和窯頭廠房柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行溝通和協(xié)調(diào)，窯基礎(chǔ)底板和相鄰柱基礎(chǔ)之間應(yīng)留有空隙。

窯基礎(chǔ)間的走道跨度較大，當(dāng)采用單跨鋼梁時(shí)，應(yīng)注意驗(yàn)算撓度，使其滿足規(guī)范相關(guān)要求，并注意凈空高度是否影響車輛通行。

三次風(fēng)管支架(支柱)通常為鋼結(jié)構(gòu)，在滿足工藝設(shè)備布置的前提下盡量靠近窯中心線，以減少偏心。

窯基礎(chǔ)頂面傾斜的方向應(yīng)標(biāo)注清楚，要表達(dá)清楚傾斜面上的預(yù)留螺栓孔是垂直頂面還是地面。窯基礎(chǔ)頂面二次澆筑的厚度和標(biāo)高應(yīng)明確，避免施工時(shí)把二次澆筑誤當(dāng)成一次澆筑。旋窯在運(yùn)行時(shí)有很大熱量散發(fā)，基礎(chǔ)表面有溫度應(yīng)力容易引起裂縫，因此要加密水平鋼筋。窯基礎(chǔ)懸挑梁與窯基礎(chǔ)側(cè)面外平時(shí)，梁外側(cè)縱筋應(yīng)排在窯基礎(chǔ)外皮鋼筋內(nèi)側(cè)。整體窯基礎(chǔ)宜采用無收縮混凝土，盡量一次澆筑不留施工縫，確有必要時(shí)應(yīng)留有“馬牙搓”。

施工圖應(yīng)嚴(yán)格按實(shí)際比例繪制，預(yù)留孔、預(yù)埋件、電機(jī)等設(shè)備基礎(chǔ)需同時(shí)標(biāo)注投影尺寸和斜面尺寸，確保設(shè)備安裝無誤。

5 結(jié)語

特種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要理解相關(guān)專業(yè)提資，清楚與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容，利用本專業(yè)知識(shí)進(jìn)行研究分析，建立相匹配的計(jì)算模型簡(jiǎn)圖，了解相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)條文，貼合其立意并貫徹到設(shè)計(jì)工作實(shí)踐中。