铁合金冶炼车间结构设计概述

铁合金冶炼车间结构设计概述

张明涛

中冶东方工程技术有限公司山东青岛266555

摘要：本文介绍铁合金冶炼车间的设计。

关键词：铁合金；车间；设计

一．绪论

随着工业的发展，高品质的冶炼原料需求日益增大，铁合金产品作为金属冶炼行业中的重要原材料，产品有较大市场空缺。不少企业看准目前市场形式，准备上马铁合金项目。铁合金产品主要以硅铁、锰铁为主，冶炼各种产品所用设备有差异，但厂房大同小异。铁合金冶炼车间设备多、荷载大，目前以钢结构车间为主，本文介绍主体结构为钢结构的硅铁合金冶炼车间结构设计。

二．铁合金冶炼车间基本概况

根据目前硅铁冶炼工艺，铁合金冶炼车间一般以两台电炉为一组放入一个车间内，能共用一套主皮带上料，降低投资。为便于管理，也可将四台电炉放在两个车间内连成一体，纵向加过度区域，共用两套主皮带上料。铁合金冶炼车间由主体框架及各层操作平台与顶部刚架组成，框架纵横两向局部设设置柱间支撑，保证框架的抗侧移刚度，上部局部设置托梁抽柱，顶部刚架底设置层间桁架抽掉约一半钢柱。顶部刚架设置于层间桁架上，刚架底部与主体结构可采用刚接连接，也可采用铰接连接。铁合金冶炼车间的难点在于荷载大、抽柱多，竖向受力构件不连续。

三．各层平台设计

1.地坪（±0.000m）

地坪均布荷载10kN/m2，设钢筋混凝土地坪，做法参标准图集。

每台电炉总重11500kN，设计独立基础，电炉基础与厂房柱脱开，电炉基础考虑耐热混凝土。电炉基础属于大体积混凝土，施工时按相关规范要求采取相应措施降低水化热。

炉前出铁车轨道，按动负荷考虑，车、包及液态金属硅重约200kN，出铁小车的最大轮压100kN，其轨道中心距为1600mm，轨面标高±0.00m，荐用43kg/m钢轨，轨道两端设车挡。

2.出铁主操作平台（约+2.700m平台）

平台为钢结构平台，平台板为混凝土板，平台均布荷载5kN/m2。一般用压型钢板兼模板，混凝土成型后模板不拆除。根据该均布荷载，平台混凝土板有效厚度一般需要150mm，混凝土楼板总厚度为混凝土有效厚度加压型钢板波高，并根据混凝土板总厚度确定钢梁顶面标高。

开堵眼机设专用轨道，总重80KN，轨道为半圆形，内轨半径约8米。设计的难点是平台板不能直接承受开堵眼机轨道荷载，轨道下需要设计次梁，次梁均为直段，需要设置数段次梁来保证近似圆弧形。

开堵眼机平台并非满布，计算主框架时需注意框架柱计算长度。

3.捣炉机主操作平台（约+6.800m）

平台为钢结构平台，平台板为混凝土板，平台均布荷载10kN/m2。一般用压型钢板兼模板，混凝土成型后模板不拆除。根据该均布荷载，平台混凝土板有效厚度一般需要180mm，混凝土楼板总厚度为混凝土有效厚度加压型钢板波高，并根据混凝土板总厚度确定钢梁顶面标高。电炉本体穿过该层平台，一般在电炉处开圆孔，直径约10米。

除均布荷载较大外，该层平台上有捣炉机不规则运行，捣炉机自重120kN，捣炉时最大轮压60kN，行走时最大轮压40kN。同时还需考虑捣炉机刹车荷载及冲击荷载，一般考虑捣炉机行走范围内满铺钢板，防止捣炉机将混凝土平台板冲击破坏，同时还需设置栏杆，将捣炉机的运行范围圈定。捣炉机的行走范围内需要将电炉周围钢柱抽柱。设计平台梁时特别需要注意捣炉机运行范围内所有次梁剪力增大，梁抗剪计算需满足相关要求。

该层平台底部吊挂出铁口排烟罩及烧穿器轨道，总负荷约550kN，需要特别注意的是出铁口排烟罩吊点多，需考虑吊点荷载不均匀系数，该值由工艺专业提供或根据经验估算。

该层平台荷载大，有较大移动荷载，且吊挂荷载受力不均匀，设计该层平台梁时即要全面考虑，又要考虑细部构造及附加荷载，设计繁琐且易考虑不周，设计时需反复分析验算。

4.变压器平台（约+11.500m）

平台为钢结构平台，平台板为混凝土板，平台均布荷载5kN/m2。一般用压型钢板兼模板，混凝土成型后模板不拆除。根据该均布荷载，平台混凝土板有效厚度一般需要150mm，混凝土楼板总厚度为混凝土有效厚度加压型钢板波高，并根据混凝土板总厚度确定钢梁顶面标高。平台上还有变压器及补偿器等较大荷载设备。

每个电炉设3个单相变压器，每个单相变压器重350kN，变压器最大轮压为200kN，变压器通过轨道移动，将变压器移动至悬挑平台上，通过临时起吊装置（如汽车吊）将变压器吊走检修。由于捣炉机平台电炉周围抽柱，框架设计时将该层框架梁与其上方的框架构成转换桁架，使得在捣炉机平台抽掉的钢柱能重新设立。该层平台变压器轨道设置时需要平面桁架斜复杆间保持足够的立面尺寸洞口，使变压器能顺利通过该洞口移出检修。轨道下方的钢梁均需考虑变压器移动荷载，变压器荷载使得轨道下方的梁截面较大，根据轨道位置精确计算梁的强度及刚度；由于梁跨度较小，同时还设置次梁，稳定性一般都能保证。

补偿器室及电气室一般通过均布活荷载考虑，均布活荷载约15kN/m2，一般补偿器室及电气室楼板就要局部加厚，有效厚度根据计算确定，一般需要180mm左右才能满足要求。

该层平台上的变压器室开孔（短网管线）四周需要隔磁处理，所以需要注意洞口标高，使平台梁及楼板钢筋处于隔磁范围以外。隔磁范围内一般使用不被磁化材料，如1Cr18Ni9Ti不锈钢。当使用规范推荐外的材料作为结构材料时需要注意连接及电化学腐蚀。

5.电极平台（约+17.500m）

该层平台为钢结构平台，均布荷载5kN/m2。平台铺钢结构花纹钢板，板厚通过计算确定。平台集中荷载处需设置钢梁，不得使集中荷载直接作用于平台铺板上。

每座电炉3套电极，电极通过液压设备将荷载传至该平台上，每套电极及液压装置总重约1000kN。三电极中心组成圆形，半径约3.5米，3电极间夹角120度。由于工艺布置的原因，常规做法是设三道“Y”形布置主梁，交点处节点构造复杂。“Y”形梁支于框架梁上，需要有限元的方法计算，边界条件不易精确模拟。最好的办法是将梁做成斜梁贯通，避免“Y”形梁，虽次梁节点处理有一定难度，但受力明确、计算简便。“Y”形梁本身也是斜的，节点处理也一样不方便，所以电炉周围平台设计时首选斜梁方案，不得已情况下再选“Y”形梁。

电极平台上支烟囱，每座电炉设两根烟囱，烟囱总重约900KN，分别支与三层平台上，支点荷载约300KN。由于加工误差及烟囱工作温度变化引起烟囱本身的缩胀，每层支点荷载实际上是个变化值，而不是定值，在无恒力支座的情况下需要对支点荷载考虑不均匀系数。

平台下炉门提升机构设于该平台上，每点拉力约50KN，共18个点。需要特别注意该荷载在平台下方为竖向荷载，到平台上方通过滑轮转化为水平荷载传至液压装置，液压装置固定于平台上。液压装置水平荷载需要通过平台板传递，因此对平台铺板的焊缝有一定要求。

该层平台开洞多，大的有电极开孔，下料管开孔，小的有炉门提升钢索开孔，众多孔洞对平台次梁设计带来一定的难度，设计时需要注意。

6.加料平台（约+23.500m）

该层平台为钢结构平台，均布荷载10kN/m2。主要的设备有加料皮带（架起）、料仓、电极临时堆放、烟囱等。

每两座电炉共用一套主皮带上料，一般主皮带设置于两电炉之间，主皮带来料后通过转运站落料至加料皮带，通过加料皮带上的卸料小车将料缷至料仓内，料仓内储存一定原料，通过下料流管将料加至电炉炉体内。主皮带通廊与车间内转运站连接需要注意温度应力问题，一般将主皮带通廊与车间内转运站脱缝连接，避免温度应力过大造成拉裂或局部屈曲破坏。为使原料通过重力加至料仓内，需要将加料皮带架高，一般比加料平台高2.5米左右即可，平台下方人能通行即可。转运站内主要荷载为主皮带头轮及加料皮带尾轮。主皮带头轮约80KN，皮带机有较大振动，需要考虑动力系数，每个厂家产品振动情况不同动力系数略有差异，一般在3.0左右。加料皮带尾轮一般20KN左右，动力系数2.0左右。转运站的平台振动较大，一般要平台铺板满焊，避免焊缝破坏。加料皮带上卸料小车共4个车轮，最大轮压80KN左右。卸料小车荷载为移动荷载，需要考虑相应的动力系数。

每座电炉需设10个料仓，每个仓满料重约250KN。每个料仓与平台梁通过4个称量装置连接，只需考虑梁与称量压头连接即可。称量装置处集中荷载大，加劲需计算确定。

烟囱穿过该层平台，在该平台上设支点，每个烟囱荷载300KN，该支点为烟囱竖向三个支点的中间支点，需要考虑荷载不均匀系数。

四．主框架设计

1.基本模型

车间长度方向柱距为6+6+9+9+6+4+6+9+9+6+6=76米，宽度方向柱距为6+6+6+6+7.5=31.5米。从下往上框架板顶标高依次为2.700米、6.500米、11.500米、17.500米、23.500米。23.500米以上设顶部刚架，刚架范围是纵向全长，横向中间三柱距（18米）。刚架内设两台起重量为20吨桥式吊车。每座电炉四周6.500米以上，靠近电炉的所有钢柱（电炉纵向中心线上左右两柱除外）抽柱，每座电炉共抽柱6根。抽柱处11.500米与17.500米纵向框架梁组成两榀平面桁架，桁架以上所有抽掉钢柱恢复。柱间支撑设置需要与工艺专业沟通，纵向4米柱距专门为设置柱间支撑而设置，横向两端（靠墙）均可设置柱间支撑。11.500米平台局部悬挑平台，使变压器能推至该悬挑平台，以便吊走检修。

2.荷载取值

恒荷载各层板自重根据计算取值。各主要设备恒载已在平台设计列出，未列出较小荷载也需准确加上。变压器室、电气室、补偿器室等房间隔墙自重加至墙下梁上。

活荷载各层平台均布活荷载已在平台设计中给出。各设备活荷载根据工艺资料准确施加。移动荷载可以通过互斥荷载施加。施加活荷载需要乘以相应的动力系数，将动荷载转换为静荷载施加。

3.设计参数设定

铁合金冶炼车间主框架计算时需要对各计算参数设定，以下仅列出较易出错的参数设定，并给出原因。

是否对全楼强制采用刚性楼板假定：否。一般底三层采用压型钢板为模板，压型钢板上为混凝土板，设栓钉使钢梁与混凝土板连接，栓钉一般设置在压型的波谷处，栓钉连接整体较弱且楼板开洞过大，一般不考虑对全楼强制采用刚性楼板假定。

考虑活荷不利布置的层数：从第1到顶层。活荷载占比重较大，且或荷载工况复杂，每层都考虑活荷载不利布置主要是通过该参数设置能得到柱端最大不平衡弯矩，用于梁柱节点验算，保证柱腹板满足强度要求，如不满足不平衡弯矩要求需加厚柱腹板。

柱、墙活荷载是否折减：不折减。考虑到活荷载工况复杂，该项折减后降低柱安全储备，本省结构就不满足强柱弱梁的要求，折减后更不满足要求。

传到基础的活荷载是否折减：折减。各层楼面均布活荷载较大，同时满布的几率很小，该项可以折减。

梁楼面活荷载折减设置：不折减。楼面活荷载经常有超载情况，一般不折减该项。

4.结构计算

结构计算需要计算软件进行辅助计算，目前用的较多的PKPM的框架模块，用MIDASGEN进行校核。等根据以往类似经验，需要对结构截面预估，钢柱一般取为“十”字柱，钢梁一般为焊接H型钢及成品国标H型钢。支撑一般选用国标H型钢。框架梁柱钢材材质Q345系列钢材，柱间支撑可以采用Q235系列钢材。框架计算需要反复的调整框架柱、框架梁及支撑的截面。除了强度、长细比等常规计算内容外，最不容易满足的是相邻层侧移刚度比，需要调整支撑的数量来尽量靠近规范的限值。框架整体计算结果超限信息较多，需要设计人员对规范相关条款熟练把握，强制条款必须满足，非强制条款尽量满足。由于竖向不规则及刚度突变严重，完全满足规范要求，不出现超限信息几乎是不可能的。

五．经验总结

1.柱脚做法框架柱柱脚一般采用插入式柱脚，根据现行《建筑抗震设计规范》相关条款，插入式柱脚的插入深度最小值柱截面高度的2.5倍。该插入深度在绝大部分情况都能满足要求，但是在荷载特别大重型框架上有可能不满足要求，电炉周围的6根钢柱柱脚按2.5倍插入深度取值一般都不满足竖向承载力的要求，应按计算确定。根据钢柱与杯口内混凝土接触面的面积与混凝土受拉强度进行计算，一般这6根钢柱的插入深度在3倍柱高以上才能满足竖向承载力的要求。如新疆昌吉某项目，根据轴力计算，电炉中心线两侧钢柱插入深度为柱高的3.3倍才能满足要求。电炉周围以外的钢柱一般按《建筑抗震设计规范》相关构造要求，插入深度取2.5倍柱高满足要求。插入深度过大，二次灌浆料的密实度就比较难保证，一般是将杯口设计稍大，如每边大于柱底板150mm，便于振捣。将杯口增大的直接问题二次灌浆料的收缩问题，一般是使用微膨胀二次灌浆料来解决收缩问题。深杯口对二次灌浆料的坍落度有较高的要求，一般要求坍落度初始值在250mm以上，30分钟保留值在220mm以上。钢柱本身较重，插入后临时固定措施在长时间作用下容易变形，使钢柱的垂直度受到不良影响，一般是通过快硬灌浆料来解决该问题，如二次灌浆料在24小时内能达到20MPa以上是比较理想的。需要设置栓钉提高插入钢柱的粘剪力，栓钉尽量只布置在柱翼缘内侧及腹板上，避免栓钉的设置影响二次灌浆料的振捣。

2.梁柱节点做法框架梁柱刚接连接，一般设计钢柱工厂加工带梁头，钢梁现场拼接。《建筑抗震设计规范》规定两端承载力大于梁本身的承载力，考虑抗震时，可以把梁头上下翼缘板厚加厚，加到满足《建筑抗震设计规范》相关条款规定为止。加强梁头，能使梁柱节点构造变得相对简单，现场焊接量减少。

3.主次梁连接一般主次梁截面均为H形截面，主次梁连接时通过节点板连接。一般情况下，截面高度小于450mm时，单侧连接板能满足要求，但是在6.500米平台上，有捣炉机移动荷载的情况下，截面高度较小的梁单侧节点板连接抗剪强度反而不满足要求，需采用双侧夹板连接。设计时该问题要特别注意。截面高度大于500mm时，一般都采用双侧夹板连接。

4.荷载不均匀系数相关规范及规程中无荷载不均匀系数取值的规定，该系数是将荷载理论值乘以大于1的系数，使之更符合实际情况。如料仓4点支承，工艺所提每点荷载为料仓总重的1/4，理论上可行，实际上三点确定一个平面，第四个点有可能不受力，此时取荷载不均匀系数取1.33。烟囱竖向3处支撑，工艺所提每处支撑点荷载为总荷载的1/3，实际上除了施工误差因素外，烟囱工作时温度在150度左右，在此温度下支点见烟囱伸长量在10mm以上，该伸长量使最低处支架荷载增大，中间支架荷载几乎不变，最顶端支架荷载减小。通过有限元分析模拟多种工况及初始缺陷（合理加工误差），得出烟囱3处支点荷载不均匀系数自下而上依次取2.1、1.3、1.1比较合理。

5.复杂平台次梁设计电极平台电炉周围开洞多，荷载作用点多。一般在设计时需要先标出荷载作用点，也需要画出洞口实际位置，根据荷载作用情况洞口位置确定次梁位置，然后根据次梁上的荷载情况计算次梁截面。

6.车间防火及隔热设计铁合金冶炼车间火灾危险性类别属于丁戊类，根据现行《建筑设计防火规范》涂刷防火涂料，一般选用薄型防火涂料能满足相应要求。电炉周围及炉前出铁车轨道附近受辐射热钢构件需要设计隔热防护。一般钢柱周围砌筑耐火砖，并用角钢将耐火砖四个角固定；梁底设置隔热吊挂，从梁底设置吊点，将隔热钢板吊于梁底，隔热钢板上铺设隔热材料（如岩棉）到达隔热效果，避免钢构件在较高温度下工作。

7.加劲设置较大集中荷载作用点加劲需计算确定，正确建立局部力学模型，保证节点构造能承受相应的荷载，同时需要考虑荷载偏心时梁受扭问题。

8.不能漏荷载铁合金冶炼车间设备多，工况复杂，应认真分析各设备的运行情况，掌握荷载情况，使所加荷载与实际相符。不能漏掉设备的工况，更不能遗漏荷载。

9.顶部刚架柱底连接形式顶部刚架柱底与加料平台柱理论可刚接连接也可铰接连接，由于顶部刚架吊车起重量较大，如柱底刚接则弯矩较大，需要增大顶层平台（加料平台钢柱）柱截面，经济性较差。仅在顶部刚架柱底铰接不满位移限值时才考虑顶部刚架柱底刚接连接。

六．铁合金冶炼车间设计中存在的问题及解决办法

1.车间不规则，竖向受力构件不连续。捣炉机平台至变压器平台间电炉周围大面积抽柱，以提供连续空间供捣炉机行走，抽柱给结构设计带来较大难度。最直接的后果是该层的侧向刚度聚减，与上层及下层的刚度差异大，竖向刚度突变，楼层抗剪承载力比值不满足《建筑抗震设计规范》相关规定。一般是增加抽柱层的支撑，使该层的抗侧移刚度有较大提高，即使增加支撑也很难满足相关要求，只能尽量的接近相关要求。

2.强柱弱梁不易满足要求。当抽柱时梁跨度大，框架梁上荷载大，梁截面就较大，此时就很难满足强柱弱梁的相关规定，一般通过增大柱截面解决该问题，由于受工艺布置及投资的约束，柱截面又不能加得过大，强柱弱梁问题只能接近相关要求。

3.支撑长细比较难满足。根据《建筑抗震设计规范》相关规定，支撑的长细比有非常严格的要求，在层高较大的情况下如变压器平台层高约6米，完全满足支撑长细比需要支撑的截面约为450mmX450mm，该宽度远大于框架梁的宽度，节点构造复杂。一般是将支撑平放，节点构造依然很复杂。

4.平面桁架荷载大，施工吊装难度大。抽柱后通过平面桁架转换荷载，桁架需要承受电极荷载、加料皮带机卸料小车的荷载、顶部刚架的荷载、桥式吊车荷载等，桁架上荷载巨大，桁架杆件内力及截面均很大，现场拼接不易保证施工质量，吊装难度也大。如新疆哈密某项目单榀桁架自重120多吨，与钢柱刚接连接，节点复杂，吊装难度也较大。根据目前的工艺布置情况，该问题暂无较完美的方法解决。

七．结语

铁合金冶炼车间荷载大、结构复杂、竖向严重不规则，结构设计有一定难度。本文结合实际工程分享设计经验及，希望能够给从事该行业的工程师提供帮助。

参考文献

[1]钢结构设计规范（GB50017-2003）【中华人民共和国建设部】

[2]建筑结构荷载规范（GB50009-2012）【中华人民共和国建设部】

[3]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）【中华人民共和国住房和城乡建设部】

[4]建筑设计防火规范（GB50016-2014）【中华人民共和国建设部】