摘要：本文提出了一种新式水泥回转窑支撑体系，结合工程实际对结构在不同工况下的受力进行了分析，并于PKPM和MIDAS中建立相应的分析模型。结果表明该体系具有较强的抗震及抵抗水平荷载作用的能力，且容易满足结构受力和变形的要求。相比曾建项目，其混凝土工程量有了显著降低，具有良好的经济效益。
关键字：水泥回转窑；框架剪力墙结构；有限元；结构内力；混凝土工程量 引言
水泥回转窑是一个重要的煅烧物料的大型回转圆筒体设备，其安全运行对于水泥的生产有着非常重要的意义。随着国内基建行业的发展，日产5000t及以上的熟料水泥生产线开始成为水泥行业的主流配置。由于水泥回转窑的增大，原有混凝土会增加施工难度及较大的建设成本，此外回转窑设备运行过程中产生的巨大水平荷载及竖向荷载。建立有限元数值模拟模型，采用拓扑优化技术，经过结构设计技术的创新与合理优化，采用了门式框架支撑结构与筒体支撑结构相结合的方式。
为了充分论证框架剪力墙结构方案的可行性，通过PKPM和有限元分析软件MIDA对结构进行计算分析，结果表明框剪结构的支撑体系具有较强的抗震及抵抗水平荷载的能力，大大降低了混凝土的用量，有效的减少了建设成本。
1 传统结构存在的问题
传统的回转窑门式墙板框架支撑结构与筒体支撑体系存在以下问题：（1）混凝土用量较大。（2）施工难度大。（3）结构耐久性差。
2 新式回转窑基础框架剪力墙结构支撑体系的设计
2.1 工程设计资料
项目地址：福建顺昌
地震烈度：地震烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g, 特征周期值为0.35s；
建筑的场地类别：场地土类别为中硬土，建筑场地类别Ⅱ类；
基本风压：0.35 kN/m2；
基本雪压：0 kN/m2；
地下水位：场地地下水位较浅，环境水对建筑材料的腐蚀性评价：场地内地下水对混凝土结构腐蚀等级为中等腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿交替时腐蚀等级为微腐蚀；
根据地勘报告，回转窑车间杂填土土层较厚，1#回转窑基础落于④层砂土状强风化石英砂岩，fak=300kPa，埋深约4m；2#和3#回转窑基础落于⑤层碎块状强风化石英砂岩，fak=1000kPa；埋深分别约为5.1m，7.6m。
2.2 回转窑基础设计
2.2.1 托轮荷载
托轮支承着回转窑回转部分的全部重量。在运转过程中，由于不均匀的热膨胀、支承部件的磨损和基础沉陷等原因，会导致各支承位置的回转中心偏斜， 这对回转窑支承载荷的分配产生显著影响。因此在回转窑支撑体系模型的建立过程中分别考虑托轮荷载在三种不同荷载工况作用影响下的响应：（1）回转窑正常运转时，托轮传递的垂直荷载为V1，则托轮与轮带间产生的纵向水平力；（2）回转窑发生纵向变形时，在计算时，托轮传递的荷载乘1.5不均匀系数。（3）当回转窑或轮带发生较大变形时，致使一个托轮脱空，此时仅有一个拖轮受力，并作用在基础上，因此，垂直荷载要考虑不均匀系数1.3。
2.2.2 磨机、挡轮与牙齿驱动荷载
磨机作回转运动时所产生的定向定值水平荷载：
Wr为磨机内的物料及研磨体重。
2.2.3 结构布置
根据项目的设计经验，按照回转窑工艺资料提供的荷载，参照国标动力机器基础设计规范相关条款，确定的新式回转窑基础框架剪力墙结构支撑体系的布置图。
2.2.4 荷载的组合
对于1#~3#回转窑基础的荷载组合表@如下，其中工况Ⅰ~工况Ⅲ分别对应回转窑正常使用、纵向变形与托轮脱空时的三种状态。对于1#~3#墩，通过数据对比发现工况Ⅰ与工况Ⅱ竖向力和横向水平力取值相同，而纵向水平力工况Ⅰ大于工况二，则采用工况Ⅰ与工况Ⅲ作为最不利荷载组合进行计算。
3 模型计算结果与分析
项目组采用结构分析软件PKPM和国际上主流的有限元分析软件MIDAS对新式回转窑基础框架剪力墙结构进行了结构的内力分析与变形的验算，并且统计了项目的混凝土工程量。
3.1 结构内力与位移
3.1.1 结构内力
分别在PKPM与MIDAS中建立回转窑基础分析模型，计算选取墩的顶层梁的弯矩包络进行分析，由顶层梁弯矩包络的分布可知，其峰值很大，对结构有着重要的影响，控制截面常出现于柱与剪力墙的连接处，此对结构的设计有着重要的意义。
3.1.2 结构形变
在内力的基础上进一步分析结构的位移与形变。从PKPM和MIDAS中提取的在不同工况下各墩结构顶部最大位移。结果表明随着窑墩高度的增加，位移有增大趋势，针对同种工况两种计算软件的计算结果差别不大。结构的最大位移均小于3mm，表明该结构有着良好的抵抗变形的能力，且满足设计要求。
3.1.3 计算结果对比
通过对比MIDAS和PKPM计算结果发现，对于地基梁，框架剪力墙结构中间拉梁，回转窑支撑窑体平面框架梁，框架柱和短肢剪力墙等PKPM模型计算出来的结果大于MIDAS的计算结果；对于回转窑支撑窑体平面的厚板，MIDAS模型计算出来的结果大于PKPM的计算结果；考虑到PKPM计算模型过于简化，，MIDAS模型计算结果更贴合实际，所以本项目按照MIDAS模型计算结果为主，PKPM模型计算结果为辅来进行设计，关键部位受力分析参照PKPM结果进行设计。
3.2 混凝土工程量的对比
影响回转窑基础结构混凝土工程量的因素较多，特别是地质条件、地基形式的采用对工程量影响较大，其次回转窑基础的结构形式对工程量也有较大影响。新式回转窑基础框架剪力墙结构支撑体系在回转窑基础设计中首次采用了纵横交叉的筏板基础，钢筋混凝土用量有了明显减少，结构形式后整体重量下降较多，更好地解决了回转窑运行时会对其支撑结构会产生较大的上拔力这一问题。
4 结论
本文提出了一种新式回转窑基础框架剪力墙结构支撑体系，讨论了各墩的荷载以及结构的内力组合，并且统计了各部分工程量，得出如下结论：
（1）由框架和剪力墙组成的抗侧力结构体系具有较强的抗震及抵抗水平荷载作用的能力，有利于满足建筑空间的要求，同时又易于满足结构受力要求；
（2）结构的层间位移与最大位移角均满足规范，易于满足结构变形要求；
（3）结构外形轻巧，相比于传统结构显著的降低了混凝土工程量，缩短了施工工期，具有明显的经济效益，有着良好的应用前景。
参考文献:
[1] 王和慧, 程静, 周金水.大型回转窑支承系统的力学行为分析[J]. 机械强度, 2012, 34(01):77-85.
[2] 周智勇.关于Φ4.7×75M 回转窑冷热态中心线的研究报告[J]. 中国建材装备, 1998(01):17-20.