窯尾塔架是新型干法熟料水泥生產(chǎn)線中的重要建筑物，近 20 年來，隨著新型干法水泥生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，水泥生產(chǎn)線的規(guī)模也越來越大，從300t/d，600t/d，1 000t/d，1 500t/d，2 000t/d 一直到 12 000t/d。窯尾塔架的體量也越來越大，高度也越來越高。本文結(jié)合云南活法集團(tuán)劉總旗水泥有限公司 3 000t/d 新型干法熟料水泥生產(chǎn)線窯尾塔架工程（以下簡(jiǎn)稱“活法窯尾塔架”）的設(shè)計(jì)，對(duì)窯尾塔架的設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)進(jìn)行闡述。
1窯尾塔架的主要特點(diǎn)
1.1樓層荷載大
窯尾塔架內(nèi)的主要設(shè)備為預(yù)熱器和分解爐，預(yù)熱器和分解爐內(nèi)的溫度從 300~900℃不等，都有耐火及保溫隔熱的要求。預(yù)熱器和分解爐內(nèi)都設(shè)有耐火磚和澆注料，正常生產(chǎn)過程中有料重，
當(dāng)發(fā)生生產(chǎn)事故，還會(huì)產(chǎn)生堵料荷載和事故荷載。故各樓層的荷載很大?；罘ǜG尾塔架，按工藝專業(yè)分為 7 層，按從下到上的順序，設(shè)備荷載、襯料荷載和積料荷載總重分別為：一層 130t，二層200t，三層 1 320t，四層 517t，五層 810t，六層510t，七層 390t，共計(jì) 3 877t。樓面活荷載根據(jù)《水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50295-2008 之規(guī)定，堆放耐火磚處為 15kN/m?，其余均為 4kN/m?。
1.2層間高度高
窯尾塔架的高寬比一般均大于 5。樓層層高高，層高一般都在 6~20m 之間?；罘ǜG尾塔架平面尺寸為 16×19m，建筑物總高度為 96.5m，活法窯尾塔架若按工藝專業(yè)要求，僅為 7 層，首層層高 9.7m，另有 2 層層高分別為 19m 和 16m，導(dǎo)致柱的計(jì)算長(zhǎng)度很長(zhǎng)，樓層層間位移大，不能滿足規(guī)范的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在 5.5m 標(biāo)高處增加 1層，首層作為車間電控室使用，層高分別為 19m和 16m 的 2 層，均在樓層中部設(shè)置框架梁，減小了柱的計(jì)算長(zhǎng)度，樓層層間位移也能滿足規(guī)范的要求，因此活法窯尾塔架結(jié)構(gòu)層數(shù)為 10 層。
1.3框架梁的跨度大
除上述特點(diǎn)外，窯尾塔架框架梁的跨度也大，一般在 8~19m 之間?；罘ǜG尾塔架的框架梁跨度分別為 16m、19m。
1.4塔架一般采用混合結(jié)構(gòu)
居于以上特點(diǎn)，塔架一般采用混合結(jié)構(gòu)。如活法窯尾塔架一層及二層為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，布置鋼筋混凝土柱 12 根；三至十層為鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)，布置鋼管混凝土柱（Φ900+C40 混凝土）4根，支撐結(jié)構(gòu)采用圓鋼管，呈八字型布置，三至十層均有設(shè)置。
2窯尾塔架的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
窯尾塔架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)主要由工程的地質(zhì)條件決定，并結(jié)合造價(jià)和施工裝備能力等因素綜合考慮。根據(jù)《水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50295-2008 之規(guī)定，建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)，應(yīng)優(yōu)先采用天然地基，遇有下列情況之一時(shí)，應(yīng)采用人工地基：
（1） 天然地基的承載力或變形不能滿足建（構(gòu)）筑物的使用要求；
（2） 地基有好的下臥層，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用人工地基比天然地基更為經(jīng)濟(jì)合理；
（3） 在地震區(qū)地基有不能滿足抗液化要求的土層。
窯尾塔架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)應(yīng)采用能滿足地基的承載力要求、變形要求和穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)形式。當(dāng)工程地質(zhì)條件好，持力層較淺時(shí)，可采用天然地基，例如獨(dú)立基礎(chǔ)、交叉梁條形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)或箱形基礎(chǔ)。若工程地質(zhì)條件差，持力層埋藏較深時(shí)，可采用樁基，單樁的豎向承載力、水平承載力及抗拔力均應(yīng)滿足規(guī)范要求。在工程實(shí)踐中，窯尾塔架的樁基一般采用大直徑灌注樁，例如人工挖孔灌注樁或沖（鉆）孔灌注樁。并應(yīng)實(shí)行施工超前鉆孔，以探明樁下有無溶洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象，并應(yīng)保證樁端持力層的厚度大于 5 倍的樁徑。需指出的是，在條件滿足的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用天然地基，采用天然地基造價(jià)低，施工速度快。
窯尾塔架基礎(chǔ)的埋置深度，在滿足地基承載力、變形要求和穩(wěn)定性要求的前提下，基礎(chǔ)宜淺埋。天然地基情況下，窯尾塔架基礎(chǔ)的埋置深度不宜小于建筑物高度的 1/15；樁基的埋置深度（樁基的埋深算至承臺(tái)底面，不計(jì)樁長(zhǎng)）不宜小于建筑物高度的 1/18~1/20。
在活法窯尾塔架工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)綜合考慮及經(jīng)濟(jì)分析，窯尾塔架的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為直徑 1 500mm的人孔挖孔灌注樁，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值 qpk=3 000kPa，有效樁長(zhǎng)約為 15m，單樁豎向承載力特征值 7 500kN。
3 窯尾塔架的柱腳設(shè)計(jì)
窯尾塔架柱底內(nèi)力較大，柱腳均應(yīng)采用剛性連接柱腳。柱腳的連接方式應(yīng)考慮受力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便。鋼管混凝土柱一般采用外包式柱腳或外露式柱腳。活法窯尾塔架柱腳采用外包式柱腳，外包式柱腳剛度大，符合設(shè)計(jì)計(jì)算假定，施工方便，施工質(zhì)量容易保證?；罘ǜG尾塔架柱腳外包混凝土的高度為 2 500mm，下部柱筋全部伸至外包混凝土頂部，并設(shè)置水平彎鉤，外包混凝土頂部箍筋 200mm 范圍內(nèi)加密為 50mm，鋼管柱在外包混凝土內(nèi)設(shè)置 120 個(gè) Φ19 圓柱頭焊釘。
4上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
日產(chǎn) 1 000t 及 1 000t 以下，窯尾塔架的體量不大，高度也不高，上部結(jié)構(gòu)可全部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。例如我院設(shè)計(jì)的云南尋甸水泥廠 700t/d 生產(chǎn)線窯尾塔架采用鋼筋混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)；蘭州甘草環(huán)保建材有限公司 1 000t/d 水泥生產(chǎn)線窯尾塔架采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。隨著新型干法熟料水泥生產(chǎn)線建設(shè)規(guī)模的增大，窯尾塔架的體量也隨之增大，高度也越來越高，設(shè)備荷載也隨之增大?；罘ǜG尾塔架二層以上，設(shè)備荷載大，因工藝布置需要，只能在 4 角布置 4 根柱，框架梁的跨度分別為 16m 和 19m，窯尾塔架的上部結(jié)構(gòu)再采用混凝土結(jié)構(gòu)已不能滿足設(shè)計(jì)、施工及設(shè)備安裝要求?；罘ǜG尾塔架三至十層為鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)，布置鋼管混凝土柱（Φ900+C40 混凝土）4 根，支撐結(jié)構(gòu)采用圓鋼管，呈八字型布置，三至十層均有設(shè)置。鋼管混凝土柱的優(yōu)點(diǎn)是承載力高、耗鋼量小、柱抗側(cè)移剛度大、結(jié)構(gòu)耐久性好、塔架頂部水平位移小。鋼管混凝土柱的缺點(diǎn)是柱梁連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，環(huán)形節(jié)點(diǎn)板需要用整塊鋼板切割而成，材料損耗大，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。柱間支撐一般采用鋼管，簡(jiǎn)潔明快?；罘ǜG尾塔架框架梁采用焊接工字鋼梁，Q345 鋼（平面內(nèi)鋼梁盡量使用熱軋型鋼梁，型鋼梁不滿足時(shí)，再采用焊接工字鋼梁）；樓面鋪板采用6mm 花紋鋼板，板下設(shè)置加勁肋。
鋼結(jié)構(gòu)窯尾塔架節(jié)點(diǎn)連接有柱和柱連接、柱和梁連接、梁和梁連接、柱間支撐兩端的連接，連接的方式有全焊接方式、全螺栓連接方式、焊接與螺栓混合連接方式等?；罘ǜG尾塔架主要采用焊接與螺栓混合連接方式
5窯尾塔架的施工（全鋼結(jié)構(gòu)塔架）
窯尾塔架的施工首先應(yīng)保證所采購的材料的品種、型號(hào)、規(guī)格、質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求及有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。活法窯尾塔架鋼管柱及斜撐均采用 Q235 鋼，所有焊接工字鋼梁均采用 Q345 鋼，所有熱軋型鋼梁及鋼鋪板均采用 Q235 鋼，這樣的設(shè)計(jì)，既有區(qū)別，又有統(tǒng)一，既充分發(fā)揮了材料的強(qiáng)度，也利于施工組織。
鋼管柱可采用直縫焊管或螺旋焊管，盡量工廠定制，避免現(xiàn)場(chǎng)加工。下面著重介紹鋼管內(nèi)混凝土的施工?；炷恋呐浜媳葢?yīng)通過實(shí)驗(yàn)確定，并滿足強(qiáng)度等級(jí)、水灰比、坍落度要求。混凝土由每柱頂連續(xù)拋落，柱頂下 4m 內(nèi)混凝土采用插入式振搗，一次振搗時(shí)間約 30s?；炷翝补嘣诿繉又鳂敲姘惭b完畢后進(jìn)行，每次混凝土澆灌到樓面以上 500mm 處，最后一次澆灌到距柱頂層50mm 處止，封閉頂蓋板，間隔 10h 后，通過頂蓋板預(yù)留孔用水泥砂漿（其配比采用澆灌混凝土內(nèi)的水泥與砂的配比）壓力灌注密實(shí)，直至水泥砂漿從孔中溢出。待混凝土強(qiáng)度達(dá) 50%后電焊封死預(yù)留孔洞?；炷劣昧隙芬来沃苯訏伮涞戒摴軆?nèi)，不準(zhǔn)分散拋落?；炷撩看螔伮淞繛?0.5m?，料斗的下口尺寸應(yīng)比鋼管內(nèi)徑小 100~200mm，以便混凝土下落時(shí)，管內(nèi)空氣能向外排出。每次澆灌混凝土前（包括施工縫）應(yīng)先澆灌 1 層厚度為 100~200mm的與混凝土等級(jí)相同的水泥砂漿，以免自由下落的混凝土粗骨料產(chǎn)生彈跳現(xiàn)象。
管內(nèi)混凝土的澆灌質(zhì)量可用敲擊鋼管的方法進(jìn)行初步檢查，如有異常，則應(yīng)用超聲波檢測(cè)。對(duì)不密實(shí)的部位，應(yīng)采用鉆孔壓漿法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，然后將鉆孔補(bǔ)焊封閉。另外還應(yīng)注意避免在低溫環(huán)境下澆灌混凝土，如不可避免，必須采取相應(yīng)措施。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，要求澆灌鋼管內(nèi)混凝土?xí)r，室外環(huán)境溫度應(yīng)在 10℃以上，并保持 14d 左右，以利于混凝土的凝結(jié)硬化。避免澆灌混凝土后，管內(nèi)混凝土尚未完全凝結(jié)硬化，這時(shí)環(huán)境溫度突然降到零度以下，鋼管遇冷驟縮，管內(nèi)混凝土殘留水分結(jié)冰，體積膨脹產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力值大于鋼管管材的容許應(yīng)力值時(shí)，鋼管將產(chǎn)生破壞性裂縫，發(fā)生施工事故，給工程項(xiàng)目帶來損失。特別是在寒冷地區(qū)，更應(yīng)注意避免發(fā)生此類施工事故。正是考慮上述原因，活法塔架鋼管柱內(nèi)的混凝土澆筑選在白天溫度較高時(shí)進(jìn)行施工。混凝土的配合比由實(shí)驗(yàn)室確定，水泥采用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，砂采用中砂，石子粒徑 0.5~2cm，水灰比不大于 0.45，塌落度 15~18cm，適量的減水劑及硫鋁酸鈣微膨脹劑，以確保混凝土不產(chǎn)生收縮。施工完畢后，經(jīng)超聲波檢測(cè)，管內(nèi)混凝土質(zhì)量滿足了上述要求。
此外，為保證工程質(zhì)量，活法窯尾塔架施工期間，項(xiàng)目組專門為窯尾塔架組織了一次施工圖會(huì)審，參加方包括設(shè)計(jì)、業(yè)主、監(jiān)理、土建施工方及安裝公司，經(jīng)過專題圖紙會(huì)審，使參建各方充分了解設(shè)計(jì)意圖，為以后的土建施工及設(shè)備安裝打下良好基礎(chǔ)。
6結(jié)語
（1） 鋼結(jié)構(gòu)用于水泥廠窯尾塔架，具有強(qiáng)度高、塑性及韌性好、抗震性能優(yōu)越、重量輕、制作簡(jiǎn)便和施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，綜合經(jīng)濟(jì)效益好。
（2） 窯尾塔架應(yīng)根據(jù)工藝布置的平面尺寸、層高及柱網(wǎng)選用合理的結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)化平面布置方案。根據(jù)工程地質(zhì)條件，并結(jié)合造價(jià)和施工裝備能力等因素綜合考慮窯尾塔架的基礎(chǔ)方案。力求做到“技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保安全”。
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