浅谈水泥厂结构设计
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摘要：随着水泥的消费量越来越大，水泥已成为建筑业的基础，水泥工业己具有很多全球化特征。全球水泥工业预计每年增长3％，目前全球水泥产量预计约为22亿吨。中国的产量已占到总量的44%。中国乃至全球的新建、改建、扩建水泥生产项目日渐增多，为保证水泥产品质量、产量能达到预期要求，在工艺改进的同时，对水泥厂内各车间的结构设计也提出了更高的要求，笔者就一点实践经验提出一些小小的见解。
关键词：水泥厂结构设计
水泥生产线是生产水泥的一系列设备组成的水泥设备生产线。主要由破碎及预均化、生料制备均化、预热分解、水泥熟料的烧成、水泥粉磨包装等过程构成。水泥厂主要包括堆场，破碎，输送，磨，窑，配料库，存储库、包装等车间，主要结构形式有单层厂房，地坑，砌体，框架，筒仓，桁架等。这些结构既要承受一定的荷载，抵御一定的腐蚀，又要满足使用功能的要求。水泥厂的车间由于受生产工艺要求的制约，容易给人产生简陋、粗糙以及呆板的印象，而落后的生产工艺所排放出的大量粉尘更是与整个城市的环保理念格格不入，这就需要在结构设计方面能够充分认识水泥的生产工艺，充分利用各个单体建筑的不同结构体型，把单调的单体组合成一个有机的整体。
一、结构设计过程
结构设计过程大体可以分为三个阶段，结构方案设计阶段，结构计算阶段和施工图设计阶段。
1. 结构方案设计阶段。根据建筑的重要性，建筑所在地的抗震设防烈度，工程地质勘查报告，建筑场地的类别及建筑的高度和层数来确定建筑的结构形式（例如，单层厂房结构，砌体结构，框架结构，钢结构，地坑结构，筒仓结构等以及由这些结构组合而成的结构形式）。确定了结构的形式之后就要根据其特点和要求来布置结构的承重体系和受力构件。 2. 结构计算阶段。首先，荷载的计算。荷载包括外部荷载（风荷载，雪荷载，施工荷载，地下水的荷载，地震荷载等）和内部荷载（结构的自重荷载，使用荷载，装修荷载等），上述荷载的计算要根据荷载规范的要求和规定采用不同的组合值系数和准永久值系数等来进行不同工况下的组合计算。其次，构件的试算。根据计算出的荷载值，构造措施要求，使用要求及各种计算手册上推荐的试算方法来初步确定构件的截面。再次，内力的计算，根据确定的构件截面和荷载值来进行内力的计算，包括弯矩，剪力，扭矩，轴心压力及拉力等。最后，构件的计算。根据计算出的结构内力及规范对构件的要求和限制（如轴压比，剪跨比，跨高比，裂缝和挠度等）来复核结构试算的构件是否符合规范规定和要求。如不满足要求则要调整构件的截面或布置直到满足要求为止。
3. 施工图设计阶段。将计算结果用结构语言表达在图纸上，包括基础平面图，各层平面图，梁、板、柱配筋图，基础详图，设备基础详图，楼梯详图，输送廊详图等。施工图既要符合结构计算的要求，又要符合规范中的构造要求，还要考虑施工的可操作性，这样的施工图才是合理实用的。
二、常用的几种结构体系
1.钢筋混凝土框架结构，是利用梁柱组成的纵、横向框架，同时承受竖向荷载及水平荷载的结构。这种结构是水泥厂中常见的结构形式，整体性好，维护墙体轻，抗震性好，平面布置灵活，能提供较大的室内空间，便于门窗设置，立面也可变化，坚固，耐久，防火性能好。适用于中央控制室，生料粉磨，煤粉制备，窑头，电收尘等车间。设计过程中，在选择梁、柱的截面尺寸时，除应满足规范所要求的取值范围，还应要做到强柱弱梁、强节点、强锚固。平面布置宜规则、对称，并具有良好的整体性，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，不宜在同一层同时改变构件的截面尺寸和材料强度，避免抗侧力构件的侧向刚度突变。
2. 钢筋混凝土地坑结构，适用于设有破碎机、辊压机、篦冷机、提升机、钢球等设备的车间及皮带转运站等。地坑按工艺要求有开口式和封盖式两种，按形状有矩形地坑和圆形地坑，按深度有深地坑和浅地坑，受力有静荷载和动荷载。荷载主要考虑设备自重，土压力，浮力，水平侧压力等，设计时要进行强度计算，抗浮计算，裂缝验算。当地坑底板建造在地下水位以下时应进行施工阶段和使用阶段的计算。地坑底宜厚于地坑壁，在有破碎机等振动较大的设备处，地坑壁应加厚，地坑壁的水平筋宜放在外侧。地坑底部要设集水坑，防止施工或使用过程中积水。
3. 钢筋混凝土筒仓结构，存储大量散装物料的结构形式，适用于熟料存储，水泥配料，水泥存储等车间。目前均设计成圆形筒仓，仓壁受力合理，用料经济，关键是基础设计。根据地质勘探报告，储量及物料特性及工艺要求，基础可设计成整板基础，环板基础，分离式基础等。设计过程中要考虑卸料时的所有影响因素，如动力影响或冲击荷载的影响，附加结构、机械设备及附加活荷载、土壤特性及其对地基沉降的影响，还要注意裂缝的控制。当储存的物料品种单一或储量较小时，用独立仓或单列布置。当储存的物料品种较多或储量大时，则布置成群仓。仓的直径有6m，8m，10m，12m，15m，18m，22.5m，45m，70m等。仓壁多为混凝土结构，有时根据实际需要做成利浦仓。筒仓顶板应为混凝土板，由钢梁支撑。
4. 单层厂房结构，一般是由檩条、屋架、托架、墙架、柱、吊车梁、各种支撑组成的空间骨架，一些堆场常采用这种结构形式。单层厂房结构跨度大，高度大，承受的荷载大，因而构件的内力大，截面尺寸大，用料多；荷载形式多样，并且常承受动力荷载和移动荷载（如吊车荷载、动力设备荷载等）；是承受屋面荷载、墙体荷载、吊车荷载以及地震作用的主要构件；基础受力大，对地质勘察的要求较高。单层厂房可设计成排架结构或刚架结构两大类，门式刚架采用较多，制作较简单，结构轻巧，室内有较大空间，但吊车梁的起重量不宜超过10吨。
5. 其他钢结构形式
有时为了节省工期等，也采用一些钢框架结构，梁的跨度较大，且梁柱截面都较小，自重轻，工作的可靠性较高，抗震性、抗冲击性好，且工业化程度较高。设计时要做到刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制较大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力（风震）的作用线，否则应考虑结构的扭转。结构的抗侧应有多道防线，比如有支撑的框架结构，柱子至少应能单独承受1/4的总水平力。
各个车间之间主要靠皮带运输物料，皮带的支撑体系桁架是必不可少的。钢桁架有上反式，下反式两种，主要为平行弦桁架，桁架长度从18m到36m，为3m的倍数，宽度为2.5～5.5m。下反式桁架重量轻，用钢量少，适用于不封闭的皮带支撑，上反式桁架重量大，用钢量多，适用于需封闭的皮带支撑，桁架下方净高受限制时也可采用上反式钢桁架。
小储量的筒仓及喂料仓可用钢板焊接制作，如煤粉制备车间的原煤仓，煤粉仓等，钢仓底部设计成锥形，便于卸料，且能满足稳定性。有时在混凝土结构的顶层需要做一些平台或房屋，或做混凝土结构受限制时，可采用钢结构，车间内部也需要一些钢平台用来检修设备，结构内部的交通通常采用钢梯，窑头、窑尾的烟囱也采用钢结构的。
钢结构厂房的立面主要由工艺布置来决定，在满足工艺的要求下力求立面简洁恢宏同时使节点尽量简单统一。彩色压型钢板使得厂房的建筑表现得体形轻盈色彩丰富，体现了强烈的现代工业气息。钢结构屋面使用屋面采光板，采光均匀，同时兼可解决厂房通风问题。
三、总结
总之，结构设计是个系统的，全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。对各个车间，应根据其特点进行建筑结构设计，做到技术先进、安全适用、经济合理、确保质量。在工作中应事无巨细，善于反思和总结经验和教训。千里之行始于足下，设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计。
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