旋窯基礎結構設計

王汀

(江蘇省建筑材料研究設計院有限公司，江蘇 南京 210009)

0 引言

旋窯基礎屬于特種結構，沒有與之相匹配的專門電算軟件，這就要求設計者應了解旋窯設備基本裝備知識，厘清設計思路，研究實際可能發(fā)生的荷載效應組合，具備一定的手工計算和設計能力。

1 旋窯常見工藝布置

旋窯主體通常為長30～150 m、直徑1.8～6 m的鋼制圓筒，中間有3～5個滾圈，筒體多由工廠加工成3～10段，傳動部位在筒體尾部(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)窯尾預熱器加熱后進入窯體，電機通過牙輪傳動，其余托輪隨筒體轉動，窯體內(nèi)的物料不斷翻滾前行，噴煤(油)管從頭部(低端)伸入窯體對生料進行加熱煅燒，生料經(jīng)過物理化學變化后由窯頭出料。

圖1 三個基礎頭部傳動

圖2 四個基礎中部傳動

2 旋窯基礎荷載效應計算

根據(jù)結構形式和受力特點把旋窯基礎分為兩類：托輪基礎(1#2#4#)和牙輪傳動基礎(3#)，以圖1三個基礎形式為例。

2.1 1#基礎

1#基礎恒荷載Wd應包括地面以上鋼筋混凝土墩身、地面以下基礎底板及覆土自重，托輪底座二次澆筑層較厚，其自重不應遺漏。對于比較大的旋窯基礎通常會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 窯體正常運轉

三次風管荷載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，窯體正常運轉時由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對窯墩基礎產(chǎn)生力矩，力臂長度應算至基礎底面。計算簡圖見圖3。

圖3 1#基礎窯體正常運轉計算

計算公式見式（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，此時托輪所受荷載放大，計算簡圖參前。計算公式見式（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)生較大變形時一側托輪落空，另一側托輪承受全部荷載，因此相鄰基礎Wmi垂直荷載放大1.3倍作用在本基礎，并產(chǎn)生縱向水平力H1b和橫向水平力H2，使窯基礎不僅承受縱向力矩Mx，同時承受橫向力矩My。計算簡圖見圖4。

圖4 窯體或能帶發(fā)生較大變形時計算

計算公式見式（8）～（13）：

2.1.4 1#基礎形心調(diào)整

1#基礎形心調(diào)整后的計算公式見式（14）：

式中，Ly為三次風管與窯中心線距離，由工藝提資。

2.2 2#基礎

2#基礎與1#基礎類似，不同的是因為臨近3#牙輪傳動基礎，傳動牙輪圓周力(橫向荷載)H4會向2#和3#基礎傳遞，把它們記作H6、H5。計算簡圖見圖5。

圖5 2#基礎計算

計算公式見式（15）～（16）：

2.2.1 窯體正常運轉

窯體正常運轉的計算公式見式（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)的計算見式（26）～（31）：

2.2.4 2#基礎形心調(diào)整

2#基礎形心計算公式見式（32）：

2.3 3#基礎

3#基礎為傳動基礎，不僅存在傳動牙輪圓周力H4，還有擋輪傳遞給基礎的縱向荷載H3。H3應取計算值和工藝提資的較大值。計算簡圖見圖6。

圖6 3#基礎計算

計算公式見式（33）：

2.3.1 窯體正常運轉

窯體正常運轉時計算公式見式（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)的計算見式（43）～（48）：

2.3.4 3#基礎形心調(diào)

3#基礎形心偏心甚小可不進行調(diào)整。

3 荷載效應組合及基礎設計

得到前述各工況荷載效應后對其進行組合以確定不利組合作為基礎設計的依據(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《建筑地基基礎設計規(guī)范》[1]進行地基承載力復核，計算公式見式（49）～（51）：

窯基礎的總重心和基底形心盡量重合，當不重合時，兩者之間的偏心距和平行偏心方向基底邊長的比值不應超過3%（fak≤150 kPa）和5%（fak>150 kPa），且滿足（GB50040—2020）《動力機器基礎設計標準》[2]的要求；基底邊緣處最小壓應力值應大于零，地基與基礎之間避免出現(xiàn)受拉區(qū)；相鄰窯基礎之間的不均勻差異沉降量不應大于10 mm。

當天然基礎不滿足時可采用樁基礎，并應驗算樁的水平承載力，計算公式見式（52）～（55）：

無論天然基礎還是樁基礎都需注意相鄰單體窯頭、窯尾的基礎形式和沉降是否與窯基礎相適應和協(xié)調(diào)。重點是在進行荷載效應組合時，要熟悉了解設備在運轉過程中可能出現(xiàn)的情況和在各種情況下窯基礎的受力狀態(tài)，關注異常情況下出現(xiàn)的不利荷載效應。這部分工作要求設計者思路清晰，并對工藝設備專業(yè)知識有所積累。

4 窯基礎施工圖設計及構造

靠近窯尾塔架的窯基礎的埋深應考慮窯尾塔架柱基礎埋深的影響，窯頭側窯基礎的埋深應注意篦冷機地溝是否在窯基礎底板范圍內(nèi)，窯基礎應避免和窯尾、窯頭柱基礎碰撞，窯基礎底板外形的確定應和窯頭廠房柱基礎設計進行溝通和協(xié)調(diào)，窯基礎底板和相鄰柱基礎之間應留有空隙。

窯基礎間的走道跨度較大，當采用單跨鋼梁時，應注意驗算撓度，使其滿足規(guī)范相關要求，并注意凈空高度是否影響車輛通行。

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

窯基礎頂面傾斜的方向應標注清楚，要表達清楚傾斜面上的預留螺栓孔是垂直頂面還是地面。窯基礎頂面二次澆筑的厚度和標高應明確，避免施工時把二次澆筑誤當成一次澆筑。旋窯在運行時有很大熱量散發(fā)，基礎表面有溫度應力容易引起裂縫，因此要加密水平鋼筋。窯基礎懸挑梁與窯基礎側面外平時，梁外側縱筋應排在窯基礎外皮鋼筋內(nèi)側。整體窯基礎宜采用無收縮混凝土，盡量一次澆筑不留施工縫，確有必要時應留有“馬牙搓”。

施工圖應嚴格按實際比例繪制，預留孔、預埋件、電機等設備基礎需同時標注投影尺寸和斜面尺寸，確保設備安裝無誤。

5 結語

特種結構設計者要理解相關專業(yè)提資，清楚與結構設計相關的內(nèi)容，利用本專業(yè)知識進行研究分析，建立相匹配的計算模型簡圖，了解相關規(guī)范標準條文，貼合其立意并貫徹到設計工作實踐中。