【doc】大断面平吊顶隧道窑吊顶承重横梁的截面设计

【doc】大断面平吊顶隧道窑吊顶承重横梁的截面 大断面平吊顶隧道窑吊顶承重横梁的截面 设计 翡2005年第8期 本栏编辑:孙国凤 大断面平吊顶隧道窑吊顶 承重横梁的截面设计 廖云友(西安思维建筑设计有限责任公司,陕西西安710061) 【摘要】吊顶承重横梁是大断面平吊顶隧道窑的主要受力构件,本文以断面净宽4600mm窑型为 例,对不同梁间距,不同等级活荷载所需最小梁截面进行逐一验算,可在实际工程中借鉴. 【Abstract】Thebeatingbeamforsuspendedflat—ceilingisthemainbearingmemberoflarg e—section tunnelkiln.Inthearticle.takingthetunnelkilnwith4600mmwidthasanexam ple,distancebetweenbeams andtheminimulnsectiondesiredfordifferentmobileloadarecalculated,whic hresultareusefulinengineering, 关键词:大断面平吊顶隧道窑吊顶承重横梁截面设计方法 中图分类号:TU522.064文献标识码:A文章编号:i00i一 6945(2005)08—0008—05 0前言 大断面平吊顶隧道窑由于其优异的热工性能,良好的操作 环境,正广泛地在新建烧结砖厂中采用.目前以一个窑车长 4350mm为长度模数,已经形成了横断面宽度4600ram, 6900ram,9200mm三个系列的不同窑型.窑内隔热吊顶由最初 的金属瓦楞板铠装式,演变成现在的采用型钢梁或钢筋混凝土 梁的承重体系:与前者相比,后者虽然自重较大,但具有 简单,维护方便等优点.因此,钢梁或钢筋混凝土梁承重的方 案被广泛使用:吊顶承重梁是这种窑型的主要受力构件之一, 设计是否合理不仅影响窑炉的使用功能,也影响窑炉的经济指 标:本文以窑断面净宽4600mm的窑型为例,采用承重梁间距 725mm,1450mm,2175mm,2900mm,隔热吊顶自重值3. 0kN/m!,窑顶面活荷载标准值3.5kN/m!,5.0kN/m两种等级 为设计基本参数;以现行结构#设计#为依据,说明型钢梁和 钢筋混凝土梁设计的方法,并将计算结果编制成表格,可供设 计时参考: l示例 图1为隧道窑典型吊顶示J,左侧为承重横梁钢筋混凝土 梁,右侧为型钢梁当窑断面宽度W=4600时,梁长L= 6620mm,单侧吊点数量n=10个,窑顶制盖板数量n=2 个:由图可知,无论选用何种材料的承重梁,传力途径相同:隔 热吊顶的重力荷载通过吊钩传至与窑道平行的次梁(当采用间 隔为725mm混凝土梁承重时,直接传至主梁),再由次梁传至 tile.corn 8ll*I~W.brick— 主梁,窑顶面荷载通过窑面铺板传至主梁,两部分荷载均由主 粱传至两侧的窑墙.可以说,主梁是一个重要的受力构件 (b)钢承重粱纵向布黄示意 (c)混凝土承重梁纵向布黄示意l刳 图1吊顶示例 :h { =l 对 毒j 2005.’ 蠢i錾 2构件设计 2.1材料 混凝土:强度等级C25,=11.9N/mm,=1.27N/ram, –1.78N/ram.,E:2.80×104N/ram,容重7=25kN/m, 保护层厚度25mm. 钢筋:HPB235级,=210N/mm,=2.1×105N/mm; HRB335级,=300N/ram-’,E=2.0×105N/nun. 钢材:Q235.B级(板厚?16mm),f=215N/mm,=125 N/mm,E=2.06x105N/mm,容重=78.0kN/m. 2.2采用规范 窑顶空腔内气体设计温度不超过150~2,可不对构件采取 特殊保护措施,按正常环境下构件设计. 采用的规范有:《}昆凝土结构设计规范》GB50010—2002, 《钢结构设计规范》GB50017—2003,《建筑结荷载规范》 GB50009—2001: 2.3变形要求 钢梁按《钢结构设计规范》GB50017—2003附录A表A. 1.1,由永久和可变荷载标准值产生的挠度容许值[]=/ 400,由可变荷载标准值产生的挠度容许值[]=?./500. 混凝土梁按《混凝土结构设计规范》GB50010—2002表3. 3.2按荷载效应的标准组合并考虑荷载长期作用影响进行计算 的挠度限值,当<7m,为?./250. 2.4构件环境 我们知道隧道窑窑道内的气压分布规律是:自焙烧带前段 至窑头处于负压区,窑道内气体中虽有大量水蒸气,硫氧化物, 氮氧物等强腐蚀物质,也不会通过吊顶孑L隙向外渗漏.相反, 室内气体却通过吊顶孑L隙向窑道内渗透,所以,处于此区域内 的构件与处于室内正常环境中的构件并无分别.自焙烧带后 段至窑尾由于热压作用及冷却,助燃鼓风,这一区域常处于正 压区,窑道内大量热气体通过吊顶孑L隙向外渗漏,但为干热空 气且不含腐蚀物质.为此;该区域顶部特设有空气层,通过空 气的对流,带走大量的热量,不仅有利于提高能量利用率,也可 保证构件始终处于可正常工作的环境中.一般控制该空气层 的温度不超过150~C,钢梁在此温度下可不采取隔热保护措施, 混凝土梁也可在此温度下正常使用. 2.5计算简图 如图2,为计算跨度,当为混凝土梁时取净跨+每侧支承 长度的一半和1.05倍净跨的较小值;当为钢梁时,取净跨+每 侧支承长度的一半.f.为隔热吊顶吊杆的分布长度.g.为梁,盖 板(标志长度725mm,1425mm按60mm厚钢筋混凝土预制板计 算,标志长度2175mm按80ram厚钢筋}昆凝土预制板计算,标志 长度2900mm按lOOmm厚钢筋混凝土预制板计算)自重标准值, 相应的荷载效应标准值跨中截面弯矩为.,支座截面剪力为 20056’ 2005年第8期 Vig,g2a- 为f范围内次梁传来的吊顶自重标准值,相应的荷载效 应标准值跨中截面弯矩为M时,支座截面剪力为q为盖板 传来活载标准值(按3.5kN/m,5.0kN/m两级),相应的荷载效 应标准值跨中截面弯矩为M支座截面剪力为Vq. Ml#=g丁lklo2 ;:一: =;;= (a)倚载简图(kN/m) (C)M2 (e)g2gk(kN) 图2梁计算简图 2.6截面设计 任何结构或结构的一部分要满足设计规定的某一特定功 能,必须满足承载力和正常使用或耐久性能某项规定限值.就 本例而言,承重梁必须有一定的承载能力,以承担其上作用的 各种荷载;不能有影响窑体热工性能的挠曲变形,对混凝土梁 而言还有最大裂缝宽度和耐久性的规定.因此,钢梁截面设计 包括强度和挠曲变形两部分;混凝土梁截面设计包括强度,裂 缝宽度和挠曲变形三部分.强度验算应使用荷载基本组合,当 窑顶面活荷标准值大于4kN/m时,活载分项系数为1.3.即 M=1.35×(l+M2)+1.4(或1.3)×M V=1.35×(l+)+1.4(或1.3)× 裂缝和挠度验算使用标准组合,即荷载或效应不乘分项系数. (1)钢梁 本例钢梁设计中不考虑腹板曲后的强度,限制翼缘自由外伸长 li.r~W.brick—tile.com9 翡2005年第8期 度与厚度之比不大于13;为简化腹板构造,控制腹板高厚比1/,不 大于80,仅在支座处和跨中设侧向支承处设置支承加筋肋 ?本例钢梁为在主平面内受弯的实腹构件,其抗弯强度 按下式计算 I” ?I/’ 式中为计算截面处绕X轴(强轴)的弯矩设计值,本例取 跨中处的截面最大弯矩M;为截面塑性发展系数.对Q235级 钢,翼缘宽厚比不大于13的工字形截面取1.05;W为对轴的 净截面模量,由于下翼缘可能有连接次梁的螺孔,取毛截面 的0.85倍厂为钢材和抗拉强度设计值,对厚度小于16mm的 Q235级钢为210N/mm ?在主平面内受弯的实腹构件,其抗剪强度按下式计算 r= 式中r为计算截面处的剪应力;V为计算截面处沿腹板平面作用 的剪力,本例取支座处的截面最大剪力;为计算剪应力处以上截 面对中和轴的面积矩,工字形截面最大剪应力发生在中和轴处,因 而取S:S;,为毛截面.惯性矩;,为腹板厚度为钢材的抗剪强 度设计值,对厚度小于16mill的()235级钢f,=125N/ram ?整体稳定 钢梁上虽有密铺钢筋混凝土预制盖板,但出于方便吊顶维 护考虑,需随时拆卸盖板,故盖板并未与钢梁牢固联结,按不能 阻止受压翼缘的侧向位移考虑若钢梁跨巾不设侧向支撑点, 则均超过Q235钢荷载作用在』二翼缘时受压翼缘自由长度与其;u3—84—EI 梁下翼缘由吊杆传来的集中荷载按,分布长度为f .的均布 荷载计算,按结构力学中图乘法确定,…此部分荷载在跨中产 生的挠度值按下式计算 g2fI(f0一fI)g!f!(21{)一fI)(fI】一fI) —7__一+———瓦—一+ g!fl(81(】一31I) 384EI 由永久和可变荷载标准值产生的挠度d=d.+d!应不大 于lo/400;由可变荷载标准值产生的挠度应不大于1o/5007 按上述方法,将不同间距,不同等级的活荷作用下钢梁验 算结果汇总于表1 表l46OOmm宽隧道窑吊顶钢承重梁验算结果 (2)钢筋混凝土梁 ?正截面受弯承载力计算 为方便配筋设计,根据《混凝土结构设汁规范》公式7.2.1 一 和7,2,1—2,导出已知截面弯矩设汁值确定所需的纵向钢筋 计算步骤 首先,按下式确定系数 tile.corn 1OUYlUW.brick— M d .’/一 式中为i{‘算截面处的弯矩设计值,本例为跨中截面处的弯 矩设计值;Jl为混凝土的轴心抗压强度标准值;6为梁截面宽度; h为截面有强度设计值,本例采用 HPB235级钢筋,:=210N/ram;为混凝土轴心抗拉强 度设计值,对于C25混凝土,=1.27N/mm:: 当计算为负值时,仅按《混凝土结构设计规范》第10.2.9, ll条配置箍筋;当为正值时,通过选择不同直径,间距来满足计 算要求,但仍应满足规范第10.2.10条,l1条的要求? ?裂缝控制验算 本例钢筋混凝土梁为允许出现裂缝的构件,控制等级为三 级,构件环境类别为一类,则根据规范表3.3.4确定最大裂缝宽 度限值:0.3mm? 欲计算受弯构件的最大裂缝宽度,应先按下式计算其 按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率P P.=A/A. 式中A为实配受拉区的纵筋截面积;A.为效受拉混凝土截 面面积,对矩形受弯构件,A:0.5『J『j?当计算得到的p.<0. 1时,取P.=0.1 其次,由下式确定按荷载效应标准组合计算的纵向受拉钢 筋的应力r, J 式中I1为按荷载效应的标准组合计算的弯矩值,本例M: 2005.(‘ 2005年第8期 M+M!+Mqk: 再次,由下式确定裂缝问纵向钢筋应变不均匀系数 ,. = 1.1—0.65;当计算得<0.2,取=0.2;当 pIP(『k >1,取=1. 最后,由下式计算按荷载标准组合并考虑长期作用影响的 最大裂缝宽度, (1.9c+()_08) P 式中构件受力特征系数;钢筋混凝土受弯构件为2.1;E 为钢筋弹性模量,按钢筋级别取值;c为最外层纵向受拉钢筋 至受拉区底边的距离,本例为25mm;d为纵向受拉钢筋的等 效直径,当使用不同种类,直径的钢筋时需进行换算,本例使用 同一种类的钢筋,当有不同直径时d=d,2/_Ynd?当计 算得到的最大裂缝宽度,>0.3mm时,可以通过增加纵向钢 筋的面积,以减少钢筋的应力r,相应也加大了P..,;也可更换 小直径的钢筋,或者加大梁的截面高度等措施,使裂缝宽度在 限值以内 ?挠度验算 与钢梁不同,等截面钢梁的刚度E,沿梁长相等,允许开裂 混凝土梁的刚度与其裂缝开展宽度有关,一般弯矩最大截面处 由于梁裂缝宽度最大,因而刚度最小.规范从偏安全的角度出 发,以最大弯矩截面处的最小刚度作为整个梁的刚度.计算受 弯构件的挠度应按荷载效应标准组合并考虑荷载长期作用影 响的刚度日计算,因此应首先计算在荷载效应标准组合作用下 的短期刚度日. EAh0 B=—————————l_——_—一 s,z+ 式中为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值,:E /EP为纵向受拉钢筋配筋率,P=A/(bh.);为受压翼缘 截面面积与腹板有效面积截面面积的比值,本例无翼缘,=0: 然后按下式计算长期刚度日 . B 式中为按荷载效应的准永久组合的弯矩,本例活荷载为 按实际情况考虑的,准永久值系数:1.0,则M=;为 考虑荷载长期作用对挠度增大的影响系数,本例不考虑受压区 架立筋的作用,0=2.0. 因此,由梁上翼缘均布荷载在跨中产生的挠度值.按下 式计算? 5(gl+)ff] 一—一 ll,ll,.brick—tile.toni11 2005年第8期 由吊杆传来的集中荷载按分布长度为f.的均布荷载计算, 按结构力学中图乘法确定,由此部分荷载在跨中产生的挠度值 按下式计算. g2fl(fo—f1). g2fl(210一f)(fo—f1). z—————?—一 g2fl(81o一311) 384 由永久和可变荷载标准值产生的挠度Ot=Ot.+Ot应不大 于lo/250.当不能满足时,最有效的方法是加大梁高.提高受 拉钢筋的配筋率,在受压区配置受压钢筋也有一定效果,但经 济性稍差. 按上述方法,将不同间距,不同等级的活荷作用下钢筋混 凝土梁验算结果汇总于表2. 从表1和表2中我们可以得到图3和图4两个相关曲线, 从中可以看出:随着横梁间距加大,无论钢梁还是混凝土梁的 主材消耗量明显降低,经济指标大幅提高.这是由于梁间距加 大,由梁上作用的荷载产生的效应(弯矩和剪力)只是线性增 加,而横梁截面加高后钢梁的截面抗弯能力呈三次方增加,混 凝土梁呈二次方增加. E \ bD 曲j 旺 屠 图3钢梁梁间距与主材用量相关曲线 l5O 100 蜮 — L』5O 冀. 删5?O E ?碴4.o一 3.O 一 \, llI 5.0kN/m2 3.5kN/m2 725l45021752900 主梁间距(mm) 图4混凝?梁梁间距与主材有量相关曲线 表24600mm宽隧道窑吊顶混凝?承重梁验算结果 3结语 本文以窑宽4600mm的隧道窑吊顶梁设计为例,旨在说明 该横梁内力计算和截面验算方法,其结果是在特定条件下得出 的,具体工程均需设计者自行确定. 吊顶承重构件包括横梁,次梁和预制盖板三部分,虽然梁 间距加大后梁本身的材料消耗降低,但必然加大次梁和盖板的 材料}肖耗因此,梁间距的确定需综合考虑各方面的因素. 12ll,lI,ll,.br/ck—tile.com 参考文献 1,国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010—2002 2,国家标准《钢结构设计规范》GB50017—2003 3,国家标准《建筑结荷载规范》GB50009—2001 4,《钢结构设计设计手册》.北京:中国建筑工业出版社, 1989,10(2) 收稿日期:2005—06—30 2oo5~d’