礦山破碎系統(tǒng)中細(xì)碎廠房設(shè)計要點分析

陶繼波,陳威克,黃斯拜,崔小熊

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

礦山破碎系統(tǒng)是指通過給料機(jī)、破碎機(jī)、篩分機(jī)、皮帶輸送機(jī)、電控裝置、除塵設(shè)備等組成的生產(chǎn)線,將大粒度的礦石通過破碎篩分成小粒度的、不同級配的砂石產(chǎn)品[1]。構(gòu)筑物一般由粗碎站、中細(xì)碎車間、超細(xì)碎車間、篩分廠房等組成,根據(jù)功能不同構(gòu)筑物內(nèi)部布置各有不同,主要包括倉上建筑物、礦倉、倉下支承結(jié)構(gòu)、皮帶輸送系統(tǒng)、破碎機(jī)及基礎(chǔ)等組成。本文以中細(xì)碎廠房工程實例進(jìn)行涉及要點的分析,僅供參考。

1 工程概況

中細(xì)碎車間的平面圖和剖面圖如圖1、圖2所示。廠房中采用鋼筋混凝土-鋼框排架結(jié)構(gòu)。廠房分為2跨,跨度分別為9 m、13.5 m,柱距為6 m,長度61.5 m,高度分別為34 m。車間內(nèi)設(shè)有6臺圓錐破碎機(jī),一臺16/3.2 t吊鉤橋式起重機(jī)?？拐鹪O(shè)防烈度為7度(0.1 g),設(shè)計地震分組為第一組?；撅L(fēng)壓：0.45 kN/m2,基本雪壓：0.55 kN/m2。工藝處理過程如下：礦料由CD跨標(biāo)高22.5 m處輸送皮帶由其它工段輸送至中細(xì)碎車間,下落至礦倉進(jìn)行貯存堆放,后由9 m平臺皮帶給礦機(jī)輸送至BC跨破碎機(jī)頂端,經(jīng)破碎機(jī)粉碎處理后,下落至地面皮帶廊,最終由地面皮帶廊輸送出廠房。

圖1 廠房平面圖

圖2 廠房剖面圖

2 結(jié)構(gòu)布置原則

中細(xì)碎車間采用鋼筋混凝土-鋼框排架結(jié)構(gòu),AB跨為破碎機(jī)及平臺,BC跨為礦倉、倉上建筑物及支承結(jié)構(gòu),車間為高層建筑物,由多種結(jié)構(gòu)部分組合而成,具有平面和豎向分布不規(guī)則、荷載形式多樣的特點,不宜整體建模分析。結(jié)構(gòu)布置應(yīng)考慮將廠房分割為規(guī)則的形體,保證質(zhì)量、剛度分布均衡,確保結(jié)構(gòu)的整體性和傳力明確。屋蓋、支承及下部結(jié)構(gòu)的布置宜均勻?qū)ΨQ,結(jié)構(gòu)布置宜避免因局部削弱或突變形成薄弱部位,產(chǎn)生過大的內(nèi)力、變形集中。對于可能出現(xiàn)的薄弱部位,應(yīng)采取措施提高抗震能力。

設(shè)計過程中將AB跨和BC跨分開考慮,AB跨廠房跨度較大,各層平臺荷載形式單一,僅為設(shè)備檢修荷載,此部分采用鋼結(jié)構(gòu),可減輕結(jié)構(gòu)自重,減少沉降。廠房平臺及基礎(chǔ)與破碎機(jī)應(yīng)脫開,避免破碎機(jī)振動對廠房主體的影響。廠房平臺梁與B軸柱宜采用鉸接連接。

BC跨為礦倉主體部分,荷載較大且質(zhì)心較高,BC跨礦倉及支承結(jié)構(gòu)采用混凝土框架結(jié)構(gòu),礦倉與混凝土框架整體澆筑。倉上建筑物僅承受本層自重,可采用輕鋼結(jié)構(gòu)。

3 倉頂結(jié)構(gòu)

倉頂結(jié)構(gòu)主要包括：倉頂房屋和皮帶機(jī)等設(shè)備基礎(chǔ)。礦料由標(biāo)高25.25 m輸送皮帶送至破碎廠房礦倉頂部,下落至礦倉。倉頂房屋用于布置進(jìn)料皮帶輸送設(shè)備,結(jié)合工藝功能和結(jié)構(gòu)布置,倉頂結(jié)構(gòu)宜采用質(zhì)量輕,抗震延性好的結(jié)構(gòu)形式,本項目采用門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu),圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用夾芯板。

倉上柱腳坐落于礦倉頂部框架柱上,采用鉸接節(jié)點,礦倉和倉下支承結(jié)構(gòu)均為混凝土結(jié)構(gòu),支承框架和礦倉連為整體,支承柱伸至礦倉頂部。倉上房屋按照單獨結(jié)構(gòu)單體進(jìn)行分析,并將柱底內(nèi)力傳遞至下部框架柱。需要注意的是,倉上房屋的風(fēng)荷載系數(shù)取值應(yīng)考慮房屋實際標(biāo)高進(jìn)行風(fēng)壓高度變化系數(shù)取值。倉上房屋地震作用增大系數(shù),可根據(jù)倉上建筑計算層結(jié)構(gòu)剛度與倉體及倉上建筑計算層質(zhì)量比的具體條件,按《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》表5.1.6采用。倉上建筑增大的地震作用效應(yīng)不應(yīng)向下部結(jié)構(gòu)傳遞。

4 礦倉主體結(jié)構(gòu)

礦倉結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟如下：

(1)判斷簡倉類型(深倉或淺倉),并估算混凝土簡倉的壁厚。

本項目礦倉為矩形筒倉,倉體平面尺寸9 m×6 m,倉體高度12 m,筒倉高寬比hn/bn=2＞1.5,應(yīng)為矩形深倉。矩形筒倉倉壁厚度一般采用短邊跨度的1/20～1/30,本項目礦倉壁厚取300 mm,倉壁四周采取加腋處理。

(2)依據(jù)判別的筒倉類型及計算筒倉倉壁壓力。

目前,關(guān)于筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件多采用參數(shù)化為主的模塊式建模輸入方式,多數(shù)只能對圓形筒倉進(jìn)行設(shè)計,針對工程中廣泛存在的矩形礦倉進(jìn)行設(shè)計計算的軟件較少。本項目礦倉主體結(jié)構(gòu)的計算將計算模型可進(jìn)行了簡化,拆分為倉壁及漏斗壁等單獨的平面構(gòu)件,按照規(guī)范或貯倉結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊進(jìn)行計算。

作用于倉壁及漏斗側(cè)壁的荷載包括礦倉自重、倉內(nèi)貯料自重、倉體懸掛吊車荷載,并考慮地震作用,按礦倉在使用過程中最不利荷載組合進(jìn)行計算。需要注意的是,計算筒倉水平地震作用及其自振周期時,可取貯料總重80%作為貯料有效質(zhì)量的代表值,重心取其總重的中心[2]。計算分析包括作用于倉壁的豎向壓力和水平壓力,作用于漏斗側(cè)壁的法向壓力和切向壓力,倉壁及漏斗側(cè)壁平面內(nèi)的受彎計算,倉壁及漏斗側(cè)壁平面外的受彎計算。本項目為深倉,矩形倉壁板高寬比小于2,按照雙向板進(jìn)行計算,漏斗壁斜向板計算時可按照當(dāng)量矩形板進(jìn)行等代換算,作用于漏斗壁的豎向壓力在漏斗高度范圍內(nèi)應(yīng)采用漏斗頂面的貯料壓力值[3]。

(3)根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和進(jìn)行鋼筋配筋計算(主要由倉壁的裂縫控制,并驗算是否滿足規(guī)范的構(gòu)造要求。

經(jīng)計算分析,倉壁及漏斗側(cè)壁均為裂縫控制,最大裂縫不超過0.2 mm。礦倉水平和豎向鋼筋均采用直徑18 mm鋼筋,礦倉豎向鋼筋和上半段水平鋼筋間距為200 mm,礦倉下半段水平鋼筋間距為150 mm。漏斗側(cè)壁采用直徑18 mm鋼筋,鋼筋間距150 mm。倉壁四周腋角部分采用16 mm加腋鋼筋,鋼筋間距同礦倉水平鋼筋間距。

礦倉倉壁開孔及下料口四周均埋設(shè)20 mm鋼板作為防撞措施,并在洞口四周設(shè)置暗梁與暗柱?？紤]貯料下落時對倉壁和漏斗側(cè)壁的撞擊磨損,倉壁和漏斗壁內(nèi)側(cè)混凝土保護(hù)層均加厚20 mm。

5 倉下支承結(jié)構(gòu)

本項目礦倉頂標(biāo)高25 m,礦倉中心距離地面20 m處,重心處于結(jié)構(gòu)較高位置,礦倉自重、貯料重量以及產(chǎn)生的水平地震作用對廠房結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大影響,柱支承傳統(tǒng)遭破壞往往從支承、支承筒連接倉壁的部位開始出現(xiàn)剛度突變,導(dǎo)致應(yīng)力集中,出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象,抗震設(shè)計一定要對支承柱的柱頭與柱腳重點予以關(guān)注和加強[4]。

綜合考慮工藝布置和使用功能,倉下結(jié)構(gòu)采用混凝土框架,4.5 m和9 m標(biāo)高處設(shè)置樓層,作為電氣室和辦公室,礦倉底部標(biāo)高設(shè)置框架連梁,增加倉下結(jié)構(gòu)的配重和整體性。因倉下結(jié)構(gòu)為柱支承,柱箍筋應(yīng)全高加密,提高倉下支柱的抗震能力。

結(jié)構(gòu)整體建模計算時,應(yīng)考慮倉上結(jié)構(gòu)傳遞的柱下荷載及礦倉整體自重荷載。經(jīng)計算,本項目框架柱為軸壓比控制,軸壓比限制控制在0.75?？蚣苤捎媒孛?00 mm×1 000 mm,縱向鋼筋采用直徑25 mm鋼筋共20根,箍筋采用直徑12 mm間距100 mm。

6 破碎機(jī)廠房及基礎(chǔ)

BC跨廠房為破碎機(jī)廠房,礦倉落料由皮帶給礦機(jī)輸送至圓錐破碎機(jī)進(jìn)行破碎加工,處理后的碎石由地面皮帶輸送系統(tǒng)運送至下一工段。設(shè)置一臺16/3.2 t吊鉤橋式起重機(jī)。

破碎機(jī)廠房由鋼排架廠房、各層鋼平臺及破碎機(jī)基礎(chǔ)組成,屋面梁、各層平臺梁與C軸礦倉框架柱均采用鉸接連接。鋼排架、各層鋼平臺建模計算時與礦倉主體結(jié)構(gòu)整體建模,并按單獨構(gòu)件復(fù)核排架柱及屋面梁受力狀況。

排架柱按壓彎構(gòu)件進(jìn)行計算,下柱采用H1150×400×20×20和H400×200×16×20組合型鋼柱,上柱采用H800×400×20×20。為滿足吊車檢修功能,上柱腹板在吊車檢修平臺處預(yù)留通行洞口。各層鋼平臺均采用鋼框架結(jié)構(gòu),平臺上鋪設(shè)6 mm厚花紋鋼板,并根據(jù)工藝要求考慮檢修荷載,預(yù)留設(shè)備洞口和管道洞口。

破碎機(jī)基礎(chǔ)采用大塊式混凝土結(jié)構(gòu),機(jī)組總重心和基礎(chǔ)底面形心宜處于同一豎線上,破碎機(jī)基礎(chǔ)的承載力計算,其荷載應(yīng)包括構(gòu)件、機(jī)器自重和3倍的破碎機(jī)擾力?；A(chǔ)的配筋沿四周和頂、底面配置直徑10～14 mm,間距200～300 mm的鋼筋網(wǎng)[5]。設(shè)備啟動時周有50 mm振幅,設(shè)計時要統(tǒng)一考慮廠房基礎(chǔ)和圓錐破碎機(jī)基礎(chǔ)的布置,破碎機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)與廠房基礎(chǔ)脫開,避免破碎機(jī)的工作擾力對主廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響,確保基礎(chǔ)之間有不小于100 mm的縫隙,并用柔性隔震材料填充空隙。

7 廠房基礎(chǔ)

廠房地基基礎(chǔ),應(yīng)滿足承載力計算和地基變形,按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計取荷載標(biāo)準(zhǔn)組合?；A(chǔ)設(shè)計時結(jié)合工程地質(zhì)報告,綜合分析壓縮層深度內(nèi)各土層情況,通過調(diào)整基礎(chǔ)的平面形狀及尺寸以控制基底壓應(yīng)力,滿足承載力要求,保證基礎(chǔ)平均沉降量不應(yīng)大于200 mm。本工程基礎(chǔ)坐落于花崗混合巖(全風(fēng)化)上,地基承載力特征值fak=220 kPa,局部基礎(chǔ)超挖部分采用C20毛石混凝土回填至基底標(biāo)高。1～8軸C、D跨廠房基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ),9～11軸C、D跨及B軸廠房基礎(chǔ)均采用獨立基礎(chǔ)。

8 結(jié)語

礦山破碎廠房鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計,應(yīng)注意采用合理的結(jié)構(gòu)選型,根據(jù)各結(jié)構(gòu)單元的連接方式采取合理的計算模型,并按照規(guī)范采取構(gòu)造措施,確保工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性。通過合理的設(shè)計,保證工程設(shè)計質(zhì)量達(dá)到規(guī)范的要求。