旋窑基础结构设计

王汀

(江苏省建筑材料研究设计院有限公司，江苏 南京 210009)

0 引言

旋窑基础属于特种结构，没有与之相匹配的专门电算软件，这就要求设计者应了解旋窑设备基本装备知识，厘清设计思路，研究实际可能发生的荷载效应组合，具备一定的手工计算和设计能力。

1 旋窑常见工艺布置

旋窑主体通常为长30～150 m、直径1.8～6 m的钢制圆筒，中间有3～5个滚圈，筒体多由工厂加工成3～10段，传动部位在筒体尾部(高端)或中段，各段在筒圈部位由托轮浮托在窑墩上，如图1、2所示。生料经窑尾预热器加热后进入窑体，电机通过牙轮传动，其余托轮随筒体转动，窑体内的物料不断翻滚前行，喷煤(油)管从头部(低端)伸入窑体对生料进行加热煅烧，生料经过物理化学变化后由窑头出料。

图1 三个基础头部传动

图2 四个基础中部传动

2 旋窑基础荷载效应计算

根据结构形式和受力特点把旋窑基础分为两类：托轮基础(1#2#4#)和牙轮传动基础(3#)，以图1三个基础形式为例。

2.1 1#基础

1#基础恒荷载Wd应包括地面以上钢筋混凝土墩身、地面以下基础底板及覆土自重，托轮底座二次浇筑层较厚，其自重不应遗漏。对于比较大的旋窑基础通常会从中间挖空形成两支腿，以减轻自重、节约混凝土用量。

2.1.1 窑体正常运转

三次风管荷载V1和托轮所受法向力Wm1由工艺提资，由于筒体纵向存在坡度，窑体正常运转时由Wm1产生托轮与轮带间的纵向水平力H1并作用在托轮上。该纵向水平力H1对窑墩基础产生力矩，力臂长度应算至基础底面。计算简图见图3。

图3 1#基础窑体正常运转计算

计算公式见式（1）～（3）：

2.1.2 窑体发生少许变形

窑体变形致托轮受荷不均，此时托轮所受荷载放大，计算简图参前。计算公式见式（4）～（7）：

2.1.3 窑体或轮带发生较大变形(筒体起拱)

窑体或轮带发生较大变形时一侧托轮落空，另一侧托轮承受全部荷载，因此相邻基础Wmi垂直荷载放大1.3倍作用在本基础，并产生纵向水平力H1b和横向水平力H2，使窑基础不仅承受纵向力矩Mx，同时承受横向力矩My。计算简图见图4。

图4 窑体或能带发生较大变形时计算

计算公式见式（8）～（13）：

2.1.4 1#基础形心调整

1#基础形心调整后的计算公式见式（14）：

式中，Ly为三次风管与窑中心线距离，由工艺提资。

2.2 2#基础

2#基础与1#基础类似，不同的是因为临近3#牙轮传动基础，传动牙轮圆周力(横向荷载)H4会向2#和3#基础传递，把它们记作H6、H5。计算简图见图5。

图5 2#基础计算

计算公式见式（15）～（16）：

2.2.1 窑体正常运转

窑体正常运转的计算公式见式（17）～（20）：

2.2.2 窑体发生少许变形

窑体发生少许变形的计算公式见式（21）～（25）：

2.2.3 窑体或轮带发生较大变形（筒体起拱）

窑体或轮带发生较大变形(筒体起拱)的计算见式（26）～（31）：

2.2.4 2#基础形心调整

2#基础形心计算公式见式（32）：

2.3 3#基础

3#基础为传动基础，不仅存在传动牙轮圆周力H4，还有挡轮传递给基础的纵向荷载H3。H3应取计算值和工艺提资的较大值。计算简图见图6。

图6 3#基础计算

计算公式见式（33）：

2.3.1 窑体正常运转

窑体正常运转时计算公式见式（34）～（37）：

2.3.2 窑体发生少许变形

窑体发生少许变形的计算见式（38）～（42）：

2.3.3 窑体或轮带发生较大变形（筒体起拱）

窑体或轮带发生较大变形(筒体起拱)的计算见式（43）～（48）：

2.3.4 3#基础形心调

3#基础形心偏心甚小可不进行调整。

3 荷载效应组合及基础设计

得到前述各工况荷载效应后对其进行组合以确定不利组合作为基础设计的依据，组合见表1。

表1 各工况及荷载组合

通过组合确定不利荷载后按GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》[1]进行地基承载力复核，计算公式见式（49）～（51）：

窑基础的总重心和基底形心尽量重合，当不重合时，两者之间的偏心距和平行偏心方向基底边长的比值不应超过3%（fak≤150 kPa）和5%（fak>150 kPa），且满足（GB50040—2020）《动力机器基础设计标准》[2]的要求；基底边缘处最小压应力值应大于零，地基与基础之间避免出现受拉区；相邻窑基础之间的不均匀差异沉降量不应大于10 mm。

当天然基础不满足时可采用桩基础，并应验算桩的水平承载力，计算公式见式（52）～（55）：

无论天然基础还是桩基础都需注意相邻单体窑头、窑尾的基础形式和沉降是否与窑基础相适应和协调。重点是在进行荷载效应组合时，要熟悉了解设备在运转过程中可能出现的情况和在各种情况下窑基础的受力状态，关注异常情况下出现的不利荷载效应。这部分工作要求设计者思路清晰，并对工艺设备专业知识有所积累。

4 窑基础施工图设计及构造

靠近窑尾塔架的窑基础的埋深应考虑窑尾塔架柱基础埋深的影响，窑头侧窑基础的埋深应注意篦冷机地沟是否在窑基础底板范围内，窑基础应避免和窑尾、窑头柱基础碰撞，窑基础底板外形的确定应和窑头厂房柱基础设计进行沟通和协调，窑基础底板和相邻柱基础之间应留有空隙。

窑基础间的走道跨度较大，当采用单跨钢梁时，应注意验算挠度，使其满足规范相关要求，并注意净空高度是否影响车辆通行。

三次风管支架(支柱)通常为钢结构，在满足工艺设备布置的前提下尽量靠近窑中心线，以减少偏心。

窑基础顶面倾斜的方向应标注清楚，要表达清楚倾斜面上的预留螺栓孔是垂直顶面还是地面。窑基础顶面二次浇筑的厚度和标高应明确，避免施工时把二次浇筑误当成一次浇筑。旋窑在运行时有很大热量散发，基础表面有温度应力容易引起裂缝，因此要加密水平钢筋。窑基础悬挑梁与窑基础侧面外平时，梁外侧纵筋应排在窑基础外皮钢筋内侧。整体窑基础宜采用无收缩混凝土，尽量一次浇筑不留施工缝，确有必要时应留有“马牙搓”。

施工图应严格按实际比例绘制，预留孔、预埋件、电机等设备基础需同时标注投影尺寸和斜面尺寸，确保设备安装无误。

5 结语

特种结构设计者要理解相关专业提资，清楚与结构设计相关的内容，利用本专业知识进行研究分析，建立相匹配的计算模型简图，了解相关规范标准条文，贴合其立意并贯彻到设计工作实践中。