阿拉克铝厂焙烧车间的设计

摘要: 介绍了伊朗阿拉克铝厂焙烧车间的设计思路。在设计过程中综合考虑了结构的荷载特点、 当地的施工条件和工艺的特殊要求，对结构方案进行优化，取得了良好的效果。

　 阿拉克铝厂位于伊朗北部阿拉克市市郊 ，扩建部分包括年产 11 万吨的电解铝生产系统和年产615 万吨的阳极生产系统。焙烧车间是重要的阳极生产车间之一 ，车间跨度 36m ，檐口高度 15. 700m ，总长 270m ，建筑面积约 9920m2，沿长度方向设置一道伸缩缝。屋面设有成品通风器 ，喉口宽度 6m。车间内有两台带水平导向轮的多功能天车 ，工作级别A7 ，轨顶标高 &ý 6. 200m。车间设置两座地下式焙烧炉。厂房屋面及外墙面均采用压型钢板围护。
1 　 主要设计参数及荷载取值
表 1 　 主要设计参数
参 　　 数 数 　　 值
结构设计使用年限 50年
建筑结构安全等级 二级
抗震设防类别 丙类
抗震设防烈度 8 度
地震分组 第一组
设计基本地震加速度 0. 2g
场地土类别 II类
表 2 　 主要荷载取值
位置、 名称 数值 ，kN/ m2
屋面均布活荷载 0. 5
屋面灰荷载 0. 5
基本风压 0. 4
基本雪压 2. 0
2 　 结构选型
2. 1 　 钢架方案
根据设计要求，该车间采用钢结构。钢结构厂具有抗震性能好、 施工精度高、 周期短和美观等诸多优点。
通常情况下 ，屋架与柱的连接方式有两种构造可供选择:其一为屋面采用钢屋架承重 ，钢屋架两端支腿落在钢柱柱顶 ，从计算简图上形成平面铰接的钢架体系 ，该方式构造简单。但经过计算分析 ，发现这种方案并不是最优的。因为该工程所处地区的雪压很大 ，达到 2. 0 kN/ m2，设计上需要选用能承担较大荷载类别的钢屋架以满足承载要求 ，但用钢量就会相应的增加。为了减少用钢量 ，采用第二种构造即将屋架与钢柱设计成刚接型式 ，利用刚接节点处的负弯矩来降低屋架跨中的正弯矩 ，达到减少屋架用钢量的目的。虽然这样会使钢柱的内力增加 ，但由于厂房柱本身在多功能天车作用下有水平位移控制的要求 ，需要达到一定的断面尺寸 ，做成刚接节点后并不会使柱断面增加很大 ，总体上的用钢量还是降低的。经测算 ，采用刚接方案比铰接方案在用钢量上减少 10 %左右。而且这种结构型式的优点是平面刚度大 ，可以减少厂房的水平位移 ，这对于 8 度地震区吊车频繁工作厂房的受力状态是十分有利的。刚节点的具体做法是将钢屋架的上下弦及主腹杆分别与钢柱内侧翼缘连接 ，使屋架端部上弦受拉 ，下弦受压 ，形成抵抗力矩 ，相当于柱与屋架刚接 ，见图 1。
2. 2 　 钢柱型式
这种重型厂房的钢柱型式可采用阶形柱和分离式柱两种。阶形柱上柱为实腹式 ，下柱为格构式。分离式柱是设置两个独立的实腹柱肢分别承担屋盖和吊车的荷载 ，它的用钢量虽然比阶型柱偏多 ，但由于本工程厂房的轨顶标高较低 ，用钢量增加不多 ，并且构造相对简单 ，制作安装方便 ，对涉外工程施工中减少人工费用从而降低造价有着现实的意义。因此 ，设计中采用分离式柱的型式 ，将两肢间以水平钢板连接 ，连接板的间距根据吊车肢在排架平面内和平面外的长细比相等的原则确定 ，见图 1。
图 1 　 钢架简图
3 　 支撑和系杆
平面刚架的支撑和系杆体系是保证结构在安装和使用过程中的整体稳定性、 提高结构的空间作用和抗震性能、 减小杆件在平面外的计算长度的重要部分。应根据结构的跨度、 高度、 吊车吨位和抗震设防烈度等进行设置。
3. 1 　 支撑的布置
根据 《建筑抗震设计规范》 9. 2. 14 条的规定 ，8度区有吊车的单层厂房 ，结构单元长度大于 90 米时 ，宜在单元中部 1/ 3 区段内设置两道上下柱间支撑。本工程伸缩缝单元的长度为 135 米左右 ，需设置两道柱间支撑。屋面横向支撑除了在对应位置处设置外还应在通风器的两端处增设。
3. 2 　 屋架系杆的节点间距
屋架系杆不仅要考虑到在对应竖向支撑和通风器支腿位置处设置，还要考虑到以下的情况:屋架上弦平面外的计算长度应取支撑节点间的距离。此外 ，上下弦也要考虑到在永久荷载和风吸力共同作用下可能出现压力的情况。因此系杆的节点间距还要根据其对屋架上下弦计算长度的影响而进行适当的加密。
4 　 结构受力分析
4. 1 　 计算方法与简图
计算采用中国建筑研究院编制的 PKPM 软件。采用钢结构模块输入建立平面模型 ，将屋架各杆件之间及屋架与钢柱之间的连接设成铰接。
4. 2 　 钢架荷载
确定作用在钢架上的荷载时应注意两点:首先是风压的确定 ，由于厂房L/ H &< 4 ，可按荷载规范提供的体型系数计算。而通风器标准产品的外形不同于规范所列的矩形天窗 ，但考虑到其局部形状对结构整体影响不大 ，故仍近似按矩形天窗的形状确定体型系数。这里还应考虑到屋面通风器在风压作用下通过两端支腿对屋架节点产生的集中力的影响。其次天车荷载的确定应考虑到焙烧车间内运行的多功能天车每侧有 4 个轮子 ，每个轮子产生的最大轮压和最小轮压均不同(见图 2) ，在确定天车施加于柱上的竖向荷载和横向荷载时 ，应按设备的实际荷载分布计算。计算时应将轮压沿厂房纵向进行不利布置后 ，利用影响线的方法求出作用在柱子上的最大荷载。天车一侧的端部设有导向轮 ，它的作用是防止天车在纵向运行中跑偏。导向轮仅有水平力 ，其值由天车样本提供。
4. 3 　 构件截面控制
厂房按平面结构计算。对于钢柱 ，还应按照抗震规范对翼缘的宽厚比和腹板的高厚比进行限制。钢柱计算时应注意计算长度的选择:柱平面内的计算长度系数按规范( G B50017 - 2003)附录D的柱上端可移动但不转动的计算长度系数来计算 ，在本工程中的几何长度取至下弦形心处。柱平面外的计算长度应取阻止框架平面外位移的侧向支撑点的间距 ，这里将吊车梁及制动系统作为支撑点。另外 ，在正常使用状态下的验算 ，不仅应考虑风压作用下产生的水平位移 ，而且由于天车工作级别为 A7 ，还应对吊车梁顶面标高处在天车水平荷载作用下产生的水平位移限值 ， 容许值为 Hc/ 1250 (Hc 为基础顶面至吊车梁顶面的高度) 。在计算位移时应取一台天车的水平荷载。
图 3 　 柱与屋架连接节点
5 　 主要连接节点
5. 1 屋架与柱的连接节点
屋架的上下弦及主腹杆通过端板分别与柱内侧翼缘用高强螺栓连接，见图 3。上弦杆与柱顶板的上表面设置一块连接盖板承担上弦节点处的水平力 ，在柱翼缘上对应屋架下弦端板的底部位置处预焊上一块钢板支托 ，承担屋架的竖向支座反力。需要注意到屋架杆件的轴力不通过端板和螺栓群的形心 ，所以计算端板焊缝和螺栓群受力时应考虑偏心弯距的影响。
5. 2 　 肩梁节点
牛腿处采用单壁式肩梁的构造，肩梁由腹板、 上盖板、 下盖板和垫板组成 ，见图 4。腹板的高度应能保证柱接头的刚度。肩梁近似地按简支梁计算 ，为了增加肩梁的整体性 ，可在肩梁两侧焊上钢板 “5” 形成箱型。
图 4 　 肩梁节点
6 　 通风器的连接
根据工艺需求 ，车间屋脊处需设置通风器进行排热。通风器是由间隔 3 米的平面刚架加上纵向系杆组成的纵向排风体系。沿通风器两边支腿下需设置两道支承钢梁。因为通风器有一定高度 ，纵向风荷载会通过它传到屋架支撑系统上 ，因此需在通风器的两端起始位置对应的屋架处设置水平支撑。
7 　 吊车梁及制动系统的设计
多功能天车每侧各有四个轮子 ，每个轮子垂直轮压和水平轮压值都较大。独立的吊车梁无法承担轮压产生的荷载 ，这时需设置水平的制动系统与吊车梁共同承担水平荷载的作用。吊车梁和制动系统需进行强度、 稳定、 挠度的计算和疲劳的验算 ，每项计算所采用的天车数量和荷载代表值是不相同的 ，见下页表 4。
在吊车梁设计时还要考虑到以下几点问题:
①吊车梁的工作最低温度在 - 20 ℃～0 ℃之间 ，钢材需选用 Q345C。
②考虑到重级大吨位吊车梁上部区域并不是纯粹的受压区 ，轨道偏心、 水平荷载都会造成局部拉应力和剪力 ，吊车梁上翼缘的连接存在着抗疲劳的问题。因此 ，吊车梁上翼缘与腹板间的连接焊缝采用 K型的剖口熔透焊缝 ，焊缝质量等级二级。吊车梁上翼缘端部与柱的连接和上翼缘与制动梁的连接均采用高强度摩擦型螺栓连接。
表 4 　 吊车梁和制动结构计算荷载取值
计算内容 采用的
吊车台数
竖向
轮压
横向
制动力 其 　 它
承载力计算 2 1. 4 μP 1. 4 Tk q = 1. 2qk1 + 1. 4qk2
挠度计算 1 P qk1 + qk2
疲劳验算 1 P qk1 + qk2
制动结构横向挠度计算 1 Tk
　　P— — — 吊车最大轮压 ，kN ;
Tk— 吊车横向制动力标准值;
qk1 — — — 结构自重标准值;
qk2 — — — 安全走道上的活荷载标准值;
μ— — — 动力系数。
3 这里要注意横向制动力应由每个轮子的水平轮压和导向轮共同组合来确定。
③大吨位吊车梁端部通常采用突缘式支座 ，是考虑到突缘式支座对牛腿产生的偏心小 ，从而减小附加弯距的影响。
8 　 柱脚的设计
由于柱底受力较大 ，将柱脚设计成整体式。用靴板将屋架肢与吊车肢连接构成整体 ，并在靴板间设置加劲隔板以加强柱脚的整体刚度和改善底板的工作状态。底板表面宜留几个Φ100 的排气孔 ，同时在对应钢柱双肢位置的底板下焊接工字钢作为抗剪键以承担柱脚底部的水平剪力。
图 5 　 柱 脚
9 　 焙烧炉基础的设计
厂房地面下设置了两座 36 室地下式焙烧炉 ，每座宽31. 5m ，长90m ，深6. 23m。根据工艺专业的提资 ，炉内传导至混凝土炉壁的温度按 190 ℃考虑。考虑到温度对混凝土的影响 ，需要对混凝土的材料进行限制:混凝土的粗骨料宜采用玄武岩、 闪长岩、花岗岩、 石灰岩等破碎的碎石以及高炉重矿渣 ，最大粒径不得大于 20mm ，细骨料宜采用天然砂 ，也可采用上述岩石经破碎筛分后的产品 ，但不得含有金属矿物、 云母、 硫酸化合物和硫化物。应采用普通硅酸盐水泥 ，其标号不宜低于 32. 5 ，每立方米水泥用量不可多于 500kg ，水灰比不得大于 0. 5。
10 　 结 语
本工程设计中充分考虑了结构荷载和工艺设备荷载的特殊性 ，在满足安全的前提下力求作到结构方案合理。以节约造价和减小施工难度为原则 ，从整体方案到细节处理上进行了精心设计 ，从而达到了 “技术先进、 经济合理、 安全适用” 的目的。