60m直径水泥熟料库库顶网架结构设计
来源:用户上传
作者:
摘 要：直径60m水泥熟料库库顶钢结构采用双层螺栓球节点网架结构，文章介绍了该网架的结构选型，荷载、材料、设计参数的确定，以及弹簧支座的选取。并对该网架进行了静力分析和动力分析，探讨了拉链机荷载、熟料温度荷载、设备振动等问题对网架结构的影响，为该类型的网架设计提供了参考。
关键词：大直径熟料库库顶网架;温度荷载;设备振动;弹簧支座
中图分类号：TU356 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）06-0088-03
Abstract： The steel structure at the top of 60m diameter cement clinker storehouse adopts double-layer bolted ball joint grid structure. This paper introduces the structure selection of the grid， the determination of load， material， design parameters and the selection of spring support. The static and dynamic analysis of the grid is carried out， and the effects of zipper machine load， clinker temperature load and equipment vibration on the grid structure are discussed， which provides a reference for the design of this type of grid.
Keywords： large diameter clinker storehouse roof grid; temperature load; equipment vibration; spring support
引言
熟料库是新型干法水泥生产线储存水泥熟料的大直径筒仓库，如图1所示。其底部为混凝土筒仓结构，库顶为钢结构屋盖和库顶房，水泥熟料通过钢廊道里面的拉链机从烧成窑头输送至熟料库顶，再从库顶下料口落入库中储存。库顶钢结构常用两种结构形式：钢桁架结构和钢网架结构。由于钢桁架方案用钢量大，安装施工困难，且对库壁作用荷载较大，目前已较少在实际工程中采用[1]。库顶屋盖除了作为围护结构，还要承受库顶拉链机传动装置荷载、钢廊道荷载、库顶其他设备载荷以及设备的振动荷载，受力复杂，不能按一般意义的屋盖设计。本文较详细的论述了60m熟料库库顶网架结构设计时需要注意的问题，为大直径熟料库库顶网架结构的设计提供参考。
1 鋼结构网架选型
熟料库库顶钢结构网架工艺条件如图2所示。根据工艺条件库顶网架采用圆台形状，落置于混凝土筒仓仓壁环梁上，标高约26m。库顶网架采用双层正放四角锥形结构，螺栓球节点。网架下部设48个支座，支座中心直径60m，上部平台直径15m，整个网架高度为17.0m，厚度2.0m，计算模型见图3所示。网架上部设钢平台，采用H型钢梁组成，顶标高44.70m，通过16个支点支撑于库顶网架上。
2 设计条件
2.1 荷载
（1）恒荷载：主要包括拉链机输送廊道桁架及检修桁架恒荷载，库顶平台恒荷载，库顶风机及收尘器等设备恒荷载，网架及库顶房自重。（2）活荷载：主要包括拉链机机头、风机和收尘器等设备的运行荷载，拉链机输送廊道桁架及检修桁架活荷载，库顶房单轨吊集中荷载，网架屋面、库顶平台和库顶房屋面均布活荷载。（3）积灰荷载：1.0kN/m2，按屋面坡度折减。（4）雪荷载：基本雪压0.5kN/m2，按屋面坡度折减。（5）风荷载：基本风压0.5kN/m2，地面粗糙度B类。（6）温差：+120℃，-40℃。（7）地震：地震7度（0.15g），地震分组第二组，场地类别Ⅱ类。
2.2 荷载组合
根据荷载规范[2]和抗震规范[3]进行荷载组合。积灰荷载与屋面均布活荷载和雪荷载中的较大值组合，屋面均布活荷载不与雪荷载和风荷载同时组合;地震考虑水平地震力，模态计算提取前30阶振型。
2.3 材料
根据空间网格技术规程[4]确定：（1）网架杆件、封板、锥头材质：Q235B。（2）螺栓球材质：45号钢。（3）高强螺栓材质：40cr或20MnTiB，螺栓等级M16～M36为10.9S，M39～M64为9.8S。
2.4 设计参数
网架设计参数依据抗震规范[3]、空间网格技术规程[4]和钢结构规范[5]的相关章节确定如下：（1）长细比：考虑到本网架结构荷载较大且在温度应力作用下杆件内力容易变号，一般位置处杆件长细比限值为150，支座附件及其周边2个网格等关键位置处杆件取值120。（2）应力比：一般杆件应力比控制为不大于0.8，支座附件及其周边2个网格等关键位置处杆件应力比控制为不大于0.7。（3）高强度螺栓：应力比控制跟所连接杆件一致。（4）挠度限值：为满足屋面上工艺设备运行要求，网架屋盖的挠度限值为1/400跨度。
3 设计结果
采用空间结构设计软件3D3S进行设计静力分析和动力分析。
3.1 静力分析结果
网架最小杆件截面为75.5×3.75，最大截面为245×16，杆件应力云图如图4所示，总用钢量约为240t。模型最大竖向位移位置为拉链机作用点，数值为44mm（1/1364<1/400），满足规范和使用要求。最大支座反力设计值为竖向370kN，径向水平130kN。
3.2 动力分析结果 对网架进行模态分析，提取结构的前30阶振型，保证两个水平方向的质量参与系数均大于90%。前3阶周期和振型见图5所示，结构频率比较密集，前两阶振型以水平平动为主，第三阶振型以扭转为主，结构刚度较大。
4 设计中需注意的问题
4.1 拉链机荷载的影响
拉链机运行时沿输送方向的拉力达到1040kN，水平分力达到950kN，且有较大的振动荷载，如果由库顶网架直接承担这部分水平力，网架设计难度较大，且存在安全隐患。本文采用拉链机钢桁架上端通过滚动支座与库顶钢平台相连的处理方式，如图6所示，可减少拉链机水平力和水平振动对库顶钢结构的不利影响;设计时对钢桁架传递给库顶钢平台的竖向荷载进行适当的放大，以考虑竖向振动对屋顶钢结构的不利影响，其恒荷载约有850kN，竖向活荷载约有1600kN，其余设备荷载约300kN。
4.2 熟料温度对结构的影响
熟料入库温度设计值为环境温度+65℃，但由于设备故障等原因易造成熟料冷却不充分，温度可能达到180℃左右。高温熟料会引起屋盖网架产生很大的温度应力，为了减小这部分温度應力，网架支座采用径向弹簧支座的形式，如图7所示，支座底板1设有径向长圆孔，可保证支座可径向移动，支座底板1和过渡板之间设有四氟乙烯板，侧边支座设有弹簧，通过支座的径向变形可释放一部分温度应力，减小网架支座对混凝土筒仓的水平力，也可以避免由于钢网架与下部混凝土筒仓热膨胀系数不同而产生温度变形不一致的问题。
4.3 设备振动对结构的影响
熟料库顶有拉链机传动装置、收尘器、风机等设备，设备运行时产生的振动会引起库顶网架构件及连接的疲劳破坏问题。熟料库顶振动是多源振动，具有振幅小、频率高、持续时间长的特点，属于超高次疲劳问题。文献[6][7]对水泥厂熟料库进行了现场动力测试和数据分析，表明设备振动产生的内力幅值较小，疲劳应力幅均小于疲劳极限，结构安全性可满足要求。本次设计适当放大了设备的活荷载，以考虑振动荷载对网架的不利影响。并且由于采用了弹簧支座，对结构变形具有阻尼作用，可以吸收一部分振动能量，减少振动荷载对结构的不利影响。
5 结束语
网架结构已经广泛应用于工业与民用建筑中，熟料库库顶网架结构与普通屋面网架结构相比，竖向荷载、温度荷载均较大，且需考虑设备振动荷载的影响，设计难度较大。本文较详细地论述了60m熟料库顶网架设中需注意的问题，为熟料库顶网架结构的设计提供了参考。
参考文献：
[1]郭云.直径70m熟料库屋盖网架结构设计[J].建筑结构，2015，45（增刊）：436-440.
[2]GB 50009-2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[3]GB 500ll-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，20l0.
[4]JGJ 7-2010空间网格结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[5]GB50017-2017钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.
[6]李家发，马明，郝成新，等.空间结构在水泥熟料库结构中的应用[C].第十二届空间结构学术会议，2008：521-525.
[7]马明，周贤葆，郝成新，等.新型无中心支撑水泥熟料库屋盖结构体系研究[J].工业建筑，2011，41（3）：68-72.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15118843.htm
