回轉窯基礎的受力性能分析

石雪英 李國正 李國印

成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川 成都 610021

回轉窯基礎的受力性能分析

石雪英 李國正 李國印

成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川 成都 610021

回轉窯作為水泥熟料燒成系統中的核心生產設備，其是否正常運行直接影響著整個水泥廠的生產，該設備的基礎設計應給予重視。而目前，形似框架的基礎設計主要停留在將窯基礎簡化成二維結構進行三種工作狀態下靜力分析階段[1]，而結構簡化為線單元計算的前提條件是單元長度尺寸遠遠大于單元截面尺寸且配筋計算時截面滿足平截面假定，顯然窯基礎各組成構件的幾何尺寸不滿足該簡化條件。采用此方法設計的結果不符合窯基礎的實際受力狀態，設計結果不夠優化?；赟AP2000有限元分析軟件，建立窯基礎實體單元模型，采用與線單元模型相同的荷載工況對窯基礎各組成構件進行內力和應力分析，并根據分析結果提出窯基礎配筋設計的建議。

SAP2000 回轉窯基礎 動力設備基礎 有限元分析 設計優化

0 引言

早期，回轉窯基礎（即窯墩）一般采用大塊式基礎（如圖1a），由于基礎的混凝土量大，后經過一次次的設計優化，將大塊式基礎上部受力較小的一部分混凝土挖除，形成了形似框架（如圖1b）和墻式的結構形式（圖1c）[2]。 墻式基礎的結構豎向構件為封閉的結構墻，結構整體剛度大，相對而言安全度較高。形似框架的基礎上部結構只在基礎兩側的短方向上設置豎向構件，長方向在頂部設置水平構件，結構的整體剛度相對于大塊式或墻式基礎有較大的削弱，當回轉窯縱向軸線變性后，設備處于非正常工作狀態，設備會傳遞給基礎較大的水平荷載，為保證基礎上設備的正常運行，選取合理的結構構件截面尺寸和基礎配筋，以使結構具有足夠的剛度和承載能力[3]。本文以某5 000 t/d水泥生產線為例進行回轉窯基礎的受力性能分析。

圖1 回轉窯基礎常見結構形式

1 工程概況

某5 000 t/d的水泥生產線，回轉窯共有3個窯墩，靠近窯頭的基礎為1#墩，靠近窯尾的基礎為3#墩，中間的基礎為2#墩。1#窯墩與2#窯墩為形似框架的基礎，3#窯墩為墻式基礎。因窯筒體內的物料沿縱向向窯頭傾斜下行，1#窯墩高度低于2#窯墩，另外回轉窯和窯墩組成為類似3點支撐的連續梁，因此2#窯墩的荷載比其他窯墩大。本文選用2#窯墩為例進行窯墩在非正常工作工況下的內力和應力分析，計算軟件分別采用有限元軟件SAP2000和PKPM模塊中的PK模塊。

2#窯墩各組成構件的幾何尺寸：豎向構件的截面尺寸為4.4 m×1.5 m×8.736 m（長×寬×高），頂部尺寸為8.15 m×4.4 m×2.737 m（長×寬×高）。

荷載工況：豎向荷載為7 330 kN，方向垂直向下，設備荷載產生的縱向水平力為846.4 kN，方向為平行于窯墩短方向，橫向水平力為2 116.0 kN，方向為平行于窯墩基礎長方向，為方便進行比較，所有荷載均按恒荷載輸入。

2 計算模型

PKPM模型為圖2a所示平面框架線單元模型，此模型主要用于基礎長方向各構件的內力計算分析，荷載工況為豎向荷載，橫向水平力。如需計算窯體傳遞給基礎的縱向水平力產生的內力，需要另外建立一個懸臂柱模型進行計算分析，懸臂柱的截面尺寸根據剛度相同的原則一般取圖2a所示兩立柱（豎向構件）合并后的尺寸，比如本例的柱的截面尺寸為4 400×3 000，高度為豎向構件長度加水平構件的高度。

圖2 回轉窯基礎計算模型

SAP2000模型為圖2b所示實體有限單元模型[4]，為了使設計分析后的應力結果能精確反映構件的受力狀態，且加快軟件分析的速度，在建模時根據窯墩基礎各構件的幾何尺寸，對窯墩基礎的有限元單元進行如下劃分：豎向構件的橫剖面共計21個節點12個單元，水平構件橫剖面共計35個節點24個單元。荷載工況為豎向荷載、橫向水平力、縱向水平力。

3 計算結果

采用上述兩種不同的計算模型在相同荷載工況下計算的窯基礎整體結構變形和各構件不同部位的內力結果（標準值）如表1和表2。

4 計算結果對比分析及配筋設計建議

窯基礎的豎向構件和水平構件的受力狀態不同，分屬兩類不同的結構構件，下文將窯基礎拆分成豎向構件和水平構件，分別對窯墩基礎的受力性能進行分析。

4.1 豎向構件

內力計算結果對比：兩種計算方法結果顯示相同位置出現相同方向的內力，但內力的大小存在差異，SAP2000的計算結果中軸力和彎矩均小于PK計算結果，其中所有豎向構件底部軸向力之和差453.3 kN，減少了約3.55%，豎向構件的彎矩頂部或底部彎差異約15%～27%。

表1 窯基礎內力計算結果對比

表2 窯基礎變形對比

原因分析：SAP2000模型是基于窯墩實際尺寸建立的實體單元模型，結構單元連續而不重疊。PK模型構件的計算長度采用假定，線單元的計算長度取值為構件中心線交點之間的距離，并忽略構件的截面尺寸對結構計算長度的影響，當線單元的長度遠遠大于截面尺寸時，由此產生的計算誤差可以忽略。顯然窯墩基礎各構件的尺寸不滿足假定條件，因此按線單元的假定方式進行計算會產生較大的誤差，造成PK計算結果與實際受力狀態不符。

以豎向構件總軸力為例，造成計算結果差異的原因是PK模型中未扣除梁柱重疊部分，重疊部分的重量為1.5×2.737×4.4×25=451.6 kN，這與兩個模型計算的差值基本相同。

水平構件的截面尺寸很大，長度較小，其相對于豎向構件的相對剛度很大，變形時表現接近于剛體，在水平力作用下近乎整體平動，從圖3a可見構件頂部和底部變形基本相同。在進行豎向構件內力計算時如仍然按照PK假定確定的豎向構件計算長度將偏大，如考慮水平構件為理想剛體，則豎向構件的計算長度僅考慮豎向構件的凈高，采用PK計算后與SAP2000的計算結果將比較接近，誤差在5%左右，頂部位移也更接近于SAP2000分析結果，因此窯基礎基于一般假定采用線單元模型的計算結果不能正確反映結構的實際狀態。即使采用上述方式來調整豎向構件的計算內力近似滿足實際狀態，但其結果又會影響基礎的其他部分，比如基礎底板，因為水平載荷的作用高度降低，水平力對基礎整體（含基礎底板）的傾覆力矩減小，基礎尺寸會減小，因此又會產生新的誤差。

受力狀態分析：豎向構件在軸力和雙向彎矩作用下的豎向應力分布見圖3b、圖3c，可以看出豎向構件短方向的應力分布基本符合平截面假定，短方向的一側出現拉應力，另一側出現拉應力，且壓應力大于拉應力，橫截面上應力的變化較為均勻，近乎線形變化，其應力狀態和柱截面計算的假定基本一致。但在長方向因截面大且抵抗距大，該方向在彎矩作用下產生的應力較小，全截面均未出現拉應力。在軸力、縱向彎矩和橫向彎矩共同作用下全截面只在角度很小區域內出現拉應力。

圖3 恒載作用下豎向構件SAP2000計算應力應變簡圖

4.2 水平構件

內力計算結果對比：兩種計算方法結果顯示相同位置出現相同方向的內力，但內力的大小存在差異，SAP2000的計算結果中彎矩均小于PK計算結果，最大的差異為58%，左側的剪力差異較大，右側差異相對較小。

原因分析：同前豎向構件的分析，水平構件的長度和截面尺寸之比較小，長高比為7 070/2 737=2.58，長寬比為7 070/4 400=1.6，高寬比2 737/4 400=0.622，且豎向構件的寬度為1 500，支座寬度較大，結構的幾何尺寸與線單元的假定條件不符，內力計算時結構的計算長度取值偏大，造成計算內力偏大，所以線單元模型計算出的內力不能正確反映結構的實際受力狀態。

應力分析：外力作用下水平構件左右兩側的應力分布詳圖4a，從表1可知水平構件左側處的彎矩與右側頂部的彎矩值之比5 017/4 187=1.2，而單元的實際應力比為1.55/0.95=1.63，受彎線單元構件在彎矩作用下截面符合平截面假定，而實際情況水平構件各單元在彎矩作用下的應力分布與線性受彎構件的假定不符。

水平構件各單元的實際受力狀態如圖4b所示，在外力作用下，結構內部單元會形成如圖中主應力的方向的壓桿和拉桿，相鄰的桿件近乎匯交在一起，所有的拉桿和壓桿將形成一個整體桁架來傳遞和承受作用在水平構件上的外力，然后在桿件內部通過桁架體系進行力的傳遞，最終通過端節點將水平構件上的荷載傳遞給豎向構件。也正是因為構件單元應力分布和應力傳遞方式的變化，才會出現與線單元內力計算結果的差異和如圖4a所示單元應力不符合受彎構件平截面假定。

圖4 單元應力不符合受彎構件平截面

4.3 配筋建議

如前應力分析，窯基礎的豎向構件短方向接近于壓彎構件，按柱的設計要求配置鋼筋基本符合結構構件的實際情況；而在豎向構件的長方向因縱向水平力作用產生的有限元單元拉應力較小，按柱的要求設計此側的配筋將使鋼筋量加大，造成浪費。而水平構件的應力分布基本上不符合梁構件的應力分布，所以采用梁的設計要求配置鋼筋就更加不合理。

窯基礎有限單元的實際應力分布采用《混凝土結構設計規范》3.3.3條規定的設計方法較為合適，即對三維混凝土結構構件，當按彈性方法分析并以應力形式表達時，可將混凝土應力按區域等代成內力設計值進行計算。按上述設計方法確定的配筋還需要滿足正常使用極限狀態設計的相關要求。設計配筋的最小配筋率除豎向構件的短方向需要滿足柱的最小配筋率要求外[5]，其他部位建議滿足《動力設備基礎設計規范》中的相關配筋規定即可。

5 結束語

通過以上對比窯基礎的受力性能分析可以清晰地看到，二維計算將基礎簡化為梁柱線單元進行內力計算并按梁柱構件的構造要求配筋，其設計結果不能全面體現窯基礎的基本設計需求，且不符合實際工作狀態，分析的精度較低，鋼筋設計比較浪費，結構不優化。而采用SAP2000建立符合窯基礎實際的計算模型進行應力計算分析后進行基礎配筋，并有針對性地采用相應的構造要求，能做到有的放矢，設計更加優化。

[1] 譚齊. 回轉窯基礎設計計算方法及構造[J]. 特種結構, 2007, 24(3):93-95.

[2] 林忠發. 回轉窯框架式基礎的設計[J]. 建筑結構, 2010(40)增刊: 516-517.

[3] 沈杰. 地基基礎設計手冊[M]. 上海: 上?？茖W技術出版社, 1985.

[4] 李鑫鑫. 三支座回轉窯基礎內力有限元分析[D].武漢理工大學, 2007.

[5] 機械工業部. 動力機器基礎設計規范GB50040—96[ M]. 北京: 中國計劃出版社, 1996.

2016-08-31）

TQ172.622.26；TU47

B

1008-0473(2016)06-0076-04

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.06.016