窑尾塔架是新型干法熟料水泥生产线中的重要建筑物，近 20 年来，随着新型干法水泥生产线的迅速发展，水泥生产线的规模也越来越大，从300t/d，600t/d，1 000t/d，1 500t/d，2 000t/d 一直到 12 000t/d。窑尾塔架的体量也越来越大，高度也越来越高。本文结合云南活法集团刘总旗水泥有限公司 3 000t/d 新型干法熟料水泥生产线窑尾塔架工程（以下简称“活法窑尾塔架”）的设计，对窑尾塔架的设计及施工要点进行阐述。

  1窑尾塔架的主要特点

  1.1楼层荷载大

  窑尾塔架内的主要设备为预热器和分解炉，预热器和分解炉内的温度从 300~900℃不等，都有耐火及保温隔热的要求。预热器和分解炉内都设有耐火砖和浇注料，正常生产过程中有料重，

  当发生生产事故，还会产生堵料荷载和事故荷载。故各楼层的荷载很大。活法窑尾塔架，按工艺专业分为 7 层，按从下到上的顺序，设备荷载、衬料荷载和积料荷载总重分别为：一层 130t，二层200t，三层 1 320t，四层 517t，五层 810t，六层510t，七层 390t，共计 3 877t。楼面活荷载根据《水泥工厂设计规范》GB50295-2008 之规定，堆放耐火砖处为 15kN/m?，其余均为 4kN/m?。

  1.2层间高度高

  窑尾塔架的高宽比一般均大于 5。楼层层高高，层高一般都在 6~20m 之间。活法窑尾塔架平面尺寸为 16×19m，建筑物总高度为 96.5m，活法窑尾塔架若按工艺专业要求，仅为 7 层，首层层高 9.7m，另有 2 层层高分别为 19m 和 16m，导致柱的计算长度很长，楼层层间位移大，不能满足规范的要求。结构设计中，在 5.5m 标高处增加 1层，首层作为车间电控室使用，层高分别为 19m和 16m 的 2 层，均在楼层中部设置框架梁，减小了柱的计算长度，楼层层间位移也能满足规范的要求，因此活法窑尾塔架结构层数为 10 层。

  1.3框架梁的跨度大

  除上述特点外，窑尾塔架框架梁的跨度也大，一般在 8~19m 之间。活法窑尾塔架的框架梁跨度分别为 16m、19m。

  1.4塔架一般采用混合结构

  居于以上特点，塔架一般采用混合结构。如活法窑尾塔架一层及二层为钢筋混凝土框架结构，布置钢筋混凝土柱 12 根；三至十层为钢框架-支撑结构，布置钢管混凝土柱（Φ900+C40 混凝土）4根，支撑结构采用圆钢管，呈八字型布置，三至十层均有设置。

  2窑尾塔架的基础设计

  窑尾塔架基础的设计主要由工程的地质条件决定，并结合造价和施工装备能力等因素综合考虑。根据《水泥工厂设计规范》GB50295-2008 之规定，建（构）筑物的基础，应优先采用天然地基，遇有下列情况之一时，应采用人工地基：

  （1） 天然地基的承载力或变形不能满足建（构）筑物的使用要求；

  （2） 地基有好的下卧层，经技术经济比较，采用人工地基比天然地基更为经济合理；

  （3） 在地震区地基有不能满足抗液化要求的土层。

  窑尾塔架基础的设计应采用能满足地基的承载力要求、变形要求和稳定性要求的基础形式。当工程地质条件好，持力层较浅时，可采用天然地基，例如独立基础、交叉梁条形基础、筏形基础或箱形基础。若工程地质条件差，持力层埋藏较深时，可采用桩基，单桩的竖向承载力、水平承载力及抗拔力均应满足规范要求。在工程实践中，窑尾塔架的桩基一般采用大直径灌注桩，例如人工挖孔灌注桩或冲（钻）孔灌注桩。并应实行施工超前钻孔，以探明桩下有无溶洞等不良地质现象，并应保证桩端持力层的厚度大于 5 倍的桩径。需指出的是，在条件满足的情况下，应优先选用天然地基，采用天然地基造价低，施工速度快。

  窑尾塔架基础的埋置深度，在满足地基承载力、变形要求和稳定性要求的前提下，基础宜浅埋。天然地基情况下，窑尾塔架基础的埋置深度不宜小于建筑物高度的 1/15；桩基的埋置深度（桩基的埋深算至承台底面，不计桩长）不宜小于建筑物高度的 1/18~1/20。

  在活法窑尾塔架工程设计中，经综合考虑及经济分析，窑尾塔架的基础设计为直径 1 500mm的人孔挖孔灌注桩，桩端持力层为强风化玄武岩，桩端极限端阻力标准值 qpk=3 000kPa，有效桩长约为 15m，单桩竖向承载力特征值 7 500kN。

  3 窑尾塔架的柱脚设计

  窑尾塔架柱底内力较大，柱脚均应采用刚性连接柱脚。柱脚的连接方式应考虑受力明确，构造简单，施工方便。钢管混凝土柱一般采用外包式柱脚或外露式柱脚。活法窑尾塔架柱脚采用外包式柱脚，外包式柱脚刚度大，符合设计计算假定，施工方便，施工质量容易保证。活法窑尾塔架柱脚外包混凝土的高度为 2 500mm，下部柱筋全部伸至外包混凝土顶部，并设置水平弯钩，外包混凝土顶部箍筋 200mm 范围内加密为 50mm，钢管柱在外包混凝土内设置 120 个 Φ19 圆柱头焊钉。

  4上部结构设计

  日产 1 000t 及 1 000t 以下，窑尾塔架的体量不大，高度也不高，上部结构可全部采用钢筋混凝土结构。例如我院设计的云南寻甸水泥厂 700t/d 生产线窑尾塔架采用钢筋混凝土短肢剪力墙结构；兰州甘草环保建材有限公司 1 000t/d 水泥生产线窑尾塔架采用钢筋混凝土框架结构。随着新型干法熟料水泥生产线建设规模的增大，窑尾塔架的体量也随之增大，高度也越来越高，设备荷载也随之增大。活法窑尾塔架二层以上，设备荷载大，因工艺布置需要，只能在 4 角布置 4 根柱，框架梁的跨度分别为 16m 和 19m，窑尾塔架的上部结构再采用混凝土结构已不能满足设计、施工及设备安装要求。活法窑尾塔架三至十层为钢框架-支撑结构，布置钢管混凝土柱（Φ900+C40 混凝土）4 根，支撑结构采用圆钢管，呈八字型布置，三至十层均有设置。钢管混凝土柱的优点是承载力高、耗钢量小、柱抗侧移刚度大、结构耐久性好、塔架顶部水平位移小。钢管混凝土柱的缺点是柱梁连接节点构造复杂，环形节点板需要用整块钢板切割而成，材料损耗大，费工费时。柱间支撑一般采用钢管，简洁明快。活法窑尾塔架框架梁采用焊接工字钢梁，Q345 钢（平面内钢梁尽量使用热轧型钢梁，型钢梁不满足时，再采用焊接工字钢梁）；楼面铺板采用6mm 花纹钢板，板下设置加劲肋。

  钢结构窑尾塔架节点连接有柱和柱连接、柱和梁连接、梁和梁连接、柱间支撑两端的连接，连接的方式有全焊接方式、全螺栓连接方式、焊接与螺栓混合连接方式等。活法窑尾塔架主要采用焊接与螺栓混合连接方式

  5窑尾塔架的施工（全钢结构塔架）

  窑尾塔架的施工首先应保证所采购的材料的品种、型号、规格、质量符合设计要求及有关国家标准的规定。活法窑尾塔架钢管柱及斜撑均采用 Q235 钢，所有焊接工字钢梁均采用 Q345 钢，所有热轧型钢梁及钢铺板均采用 Q235 钢，这样的设计，既有区别，又有统一，既充分发挥了材料的强度，也利于施工组织。

  钢管柱可采用直缝焊管或螺旋焊管，尽量工厂定制，避免现场加工。下面着重介绍钢管内混凝土的施工。混凝土的配合比应通过实验确定，并满足强度等级、水灰比、坍落度要求。混凝土由每柱顶连续抛落，柱顶下 4m 内混凝土采用插入式振捣，一次振捣时间约 30s。混凝土浇灌在每层主楼面安装完毕后进行，每次混凝土浇灌到楼面以上 500mm 处，最后一次浇灌到距柱顶层50mm 处止，封闭顶盖板，间隔 10h 后，通过顶盖板预留孔用水泥砂浆（其配比采用浇灌混凝土内的水泥与砂的配比）压力灌注密实，直至水泥砂浆从孔中溢出。待混凝土强度达 50%后电焊封死预留孔洞。混凝土用料斗依次直接抛落到钢管内，不准分散抛落。混凝土每次抛落量为 0.5m?，料斗的下口尺寸应比钢管内径小 100~200mm，以便混凝土下落时，管内空气能向外排出。每次浇灌混凝土前（包括施工缝）应先浇灌 1 层厚度为 100~200mm的与混凝土等级相同的水泥砂浆，以免自由下落的混凝土粗骨料产生弹跳现象。

  管内混凝土的浇灌质量可用敲击钢管的方法进行初步检查，如有异常，则应用超声波检测。对不密实的部位，应采用钻孔压浆法进行补强，然后将钻孔补焊封闭。另外还应注意避免在低温环境下浇灌混凝土，如不可避免，必须采取相应措施。根据以往经验，要求浇灌钢管内混凝土时，室外环境温度应在 10℃以上，并保持 14d 左右，以利于混凝土的凝结硬化。避免浇灌混凝土后，管内混凝土尚未完全凝结硬化，这时环境温度突然降到零度以下，钢管遇冷骤缩，管内混凝土残留水分结冰，体积膨胀产生的冻胀应力值大于钢管管材的容许应力值时，钢管将产生破坏性裂缝，发生施工事故，给工程项目带来损失。特别是在寒冷地区，更应注意避免发生此类施工事故。正是考虑上述原因，活法塔架钢管柱内的混凝土浇筑选在白天温度较高时进行施工。混凝土的配合比由实验室确定，水泥采用 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，砂采用中砂，石子粒径 0.5~2cm，水灰比不大于 0.45，塌落度 15~18cm，适量的减水剂及硫铝酸钙微膨胀剂，以确保混凝土不产生收缩。施工完毕后，经超声波检测，管内混凝土质量满足了上述要求。

  此外，为保证工程质量，活法窑尾塔架施工期间，项目组专门为窑尾塔架组织了一次施工图会审，参加方包括设计、业主、监理、土建施工方及安装公司，经过专题图纸会审，使参建各方充分了解设计意图，为以后的土建施工及设备安装打下良好基础。

  6结语

  （1） 钢结构用于水泥厂窑尾塔架，具有强度高、塑性及韧性好、抗震性能优越、重量轻、制作简便和施工周期短等优点，综合经济效益好。

  （2） 窑尾塔架应根据工艺布置的平面尺寸、层高及柱网选用合理的结构体系，优化平面布置方案。根据工程地质条件，并结合造价和施工装备能力等因素综合考虑窑尾塔架的基础方案。力求做到“技术先进、经济合理、安全适用、确保安全”。