鋼包回轉(zhuǎn)臺地腳螺栓荷載

鋼包回轉(zhuǎn)臺地腳螺栓荷載分析提要:對鋼包回轉(zhuǎn)臺各種工況的荷載及地腳螺栓的預(yù)緊力和工作應(yīng)力進(jìn)行分析。在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)共同作用下，指出鋼筋混凝土基礎(chǔ)的不同截面和部位處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)；地腳螺栓承受反復(fù)張拉荷載，可導(dǎo)致地腳螺栓的疲勞破壞、界面破壞和松動。按荷載效應(yīng)的基本組合進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)分析，按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行抗拉疲勞分析。提出采用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法進(jìn)行地腳螺栓的設(shè)計(jì)?？紤]欠荷載系數(shù)的影響，對栓桿的變幅疲勞按常幅疲勞驗(yàn)算。關(guān)鍵詞:地腳螺栓承載能力極限狀態(tài)許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法粘結(jié)應(yīng)力AnalaysisofloadfortheFoundationBoltsofLadleturretsAbstract:Allkindsofworkingmechanismsloadsofladleturrets，thepre-tensionforceandthestressoffoundationscrewwereanalysed.Undertheinteractionofsuperstructureandfoundation,thedifferentsectionsandpositionsofthereinforcedconcretefoundationwerethecomplicatedstateofstress.Theloadsofthefoundationscrewandthefoundationconcretewerealternatestretchingloads,andthecycleofloadsmightbringaboutfatiguefailureofthefoundationscrews,ortheinterfacefailurebetweentheanchorboltoffoundationscrewsandfoundationconcreteandresultintheloosenessofthefoundationscrews.Bytheultimatestateofcarringcapacitywasanalysedwiththeloadseffectoffundamentalcombination,andthetensilefatiguewasanalysedwiththeloadseffectofstandardcombination,theallowablestressdesignmethodisproposedtothefoundationscrewsdesign.Consideringtheinfluenceoflowloadcoefficientofaladleturret,theanchorboltsareanalysedbyconstantamplitudefatigueinsteadofvariableamplitudefatigueinthealternativeloadsofaladleturret.Keywords:foundationscrews;ultimatelimitstate;allowablestressdesignmethod;bondstress;0引言鋼廠連鑄生產(chǎn)的鋼包回轉(zhuǎn)臺通過臺座、地腳螺栓與基礎(chǔ)相連，形成一穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)。由于鋼包回轉(zhuǎn)臺工作環(huán)境惡劣、荷載大，且存在如水平?jīng)_擊力等偶然荷載。因此，對鋼包回轉(zhuǎn)臺及設(shè)備基礎(chǔ)的安全及可靠性具有很高的要求。一旦螺栓斷裂、螺母松脫或基礎(chǔ)混凝土破壞，都可能導(dǎo)致鋼包回轉(zhuǎn)臺傾覆，造成不堪設(shè)想的人員傷亡和設(shè)備損壞。分析表明，鋼包回轉(zhuǎn)臺工作中，在傾覆力、水平?jīng)_擊、垂直沖擊和振動等作用下，其薄弱環(huán)節(jié)為地腳螺栓以及地腳螺栓在混凝土基礎(chǔ)中的錨固。因此，設(shè)計(jì)分析與安裝施工必須考慮設(shè)備及基礎(chǔ)的共同作用，以確保鋼包回轉(zhuǎn)臺的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。1鋼包回轉(zhuǎn)臺工作分析鋼廠連鑄車間的鋼包回轉(zhuǎn)臺是用來承接盛滿鋼水的鋼水包，為中間包和連鑄機(jī)的結(jié)晶器供應(yīng)鋼水。當(dāng)鋼包下面的水口閥門打開后，鋼水源源不斷地流進(jìn)中間包。鋼包內(nèi)的鋼水放完以后，回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)1800，將空鋼包送回；再接收新的盛滿鋼水的鋼水包。鋼包回轉(zhuǎn)臺和臺座通過軸承式旋轉(zhuǎn)支承裝置聯(lián)接，臺座通過地腳螺栓與鋼包回轉(zhuǎn)臺基礎(chǔ)聯(lián)接?？蛰d時鋼包回轉(zhuǎn)臺相對回轉(zhuǎn)中心對稱布置的，其自重只產(chǎn)生向下的鉛垂力傳給地基，沒有水平力和傾覆力矩。但工作時其回轉(zhuǎn)臂上裝上鋼水包就產(chǎn)生了較大的傾覆力矩，見圖1。圖1鋼包回轉(zhuǎn)臺大塊基礎(chǔ)Fig.1Aladleturretandbigfoundation鋼包回轉(zhuǎn)臺通過地腳螺栓固定在大塊基礎(chǔ)上。地腳螺栓由兩部分構(gòu)成，下半部分埋在鋼筋混凝土基礎(chǔ)中，上半部分可以拆卸，其間以螺紋套筒聯(lián)接。地腳螺栓的受力見圖2(a)。在鋼包回轉(zhuǎn)臺傾覆荷載的作用下，地腳螺栓反復(fù)受到交變荷載的作用。因此，為了提高螺栓聯(lián)接的質(zhì)量，安裝螺栓時必須施加合適的預(yù)緊力P，以增強(qiáng)聯(lián)接的剛性、緊密性和防松能力，提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。如果預(yù)緊力不足，除了容易引起螺母松動之外，在傾覆力矩的作用下，部分螺栓會承受較大的拉力；在不受傾覆力矩或載荷處于對稱位置時，拉力較小。因此，工作中處于的變幅疲勞狀態(tài)的地腳螺栓可能引起疲勞破壞。如果預(yù)緊力過大，工作過程中又可能發(fā)生斷裂事故。（a）地腳螺栓的受力；（b）地腳螺栓錨固；（c）錨板局部受壓（a）Thecapacityoffoundationscrew；（b）Theanchorageoffoundationscrew；（c）Localbearingofanchorgeboard圖2地腳螺栓的受力分析Fig.2Theanalysisofthecapacityoffoundationscrew在多種工況、復(fù)雜荷載作用下，鋼包回轉(zhuǎn)臺的工作對地腳螺栓及基礎(chǔ)的影響為反復(fù)張拉荷載，致使鋼筋混凝土基礎(chǔ)的不同截面、不同部位處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。因此，需要對地腳螺栓的栓桿與混凝土之間的粘聚力及摩擦力，錨固螺母與其上混凝土之間的壓應(yīng)力，以及錨固螺栓桿與混凝土界面的粘聚力和摩擦力進(jìn)行分析。2地腳螺栓受力分析2.1荷載組合在鋼包回轉(zhuǎn)臺的工作過程中，存在著恒荷載（鋼包回轉(zhuǎn)臺）、可變荷載（鋼包）及偶然荷載（水平或垂直沖擊、振動等）?？赡艽嬖诘墓r有以下幾種：一邊滿載，一邊空載；兩邊滿載；一邊滿載，一邊空包；以及需要考慮接載時的水平?jīng)_擊、垂直沖擊和振動作用等。各種荷載組合采用基本組合進(jìn)行計(jì)算[1]。對存在偶然荷載時，按偶然組合進(jìn)行計(jì)算。本文選擇三個鋼包回轉(zhuǎn)臺設(shè)備進(jìn)行分析，根據(jù)鋼包回轉(zhuǎn)臺設(shè)備的特點(diǎn)，取ψ=1.1，ψs=1.4。荷載組合中，恒荷載及活荷載不乘分項(xiàng)系數(shù)。荷載標(biāo)準(zhǔn)值為疲勞驗(yàn)算荷載，不計(jì)偶然水平?jīng)_擊荷載、動力系數(shù)及沖擊系數(shù)[2,3]。其荷載組合見表1[4,5,6]。表1鋼包回轉(zhuǎn)臺荷載計(jì)算工況荷載鋼包回轉(zhuǎn)臺A鋼包回轉(zhuǎn)臺B鋼包回轉(zhuǎn)臺CN/kNHH/kNM/kN..mN/kNH/kNM/kN.mmN/kNH//kNM/kN.mm①標(biāo)準(zhǔn)值760002766753335079755660015755設(shè)計(jì)值76000276675333507975660015775②標(biāo)準(zhǔn)值880002029953885049500780011500設(shè)計(jì)值880002022953885049500780011500③標(biāo)準(zhǔn)值760002776753335079755660015775設(shè)計(jì)值760090003211753335210887786609017644④標(biāo)準(zhǔn)值1210000478500111000設(shè)計(jì)值1210000478500111000⑤標(biāo)準(zhǔn)值760002766753335079975660015775設(shè)計(jì)值805003044433425084770705017333⑥標(biāo)準(zhǔn)值1210000478500111000設(shè)計(jì)值125500276685575011117115001588⑦標(biāo)準(zhǔn)值88000276695328507977578001575設(shè)計(jì)值94000387745384501077801000024005Table1Thecalculationofladleturrets’load由表1可知，以一邊滿載、一邊空載時工況⑦的傾覆力矩最大。工況⑥軸向壓力最大，且具有較大的傾覆力矩；工況③存在水平?jīng)_擊荷載，屬于偶然荷載。因此，承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算應(yīng)按工況③、⑥、⑦進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。2.2地腳螺栓承載能力極限狀態(tài)分析地腳螺栓可能出現(xiàn)的超過承載能力極限狀態(tài)的狀況有：①受拉摩擦型高強(qiáng)螺栓因超過材料強(qiáng)度而破壞；②受拉摩擦型高強(qiáng)螺栓疲勞破壞；③預(yù)緊力喪失，導(dǎo)致鋼包回轉(zhuǎn)臺與地腳螺栓、基礎(chǔ)發(fā)生相對移動。對鋼包回轉(zhuǎn)臺荷載進(jìn)行分析，取工況⑦的最不利的荷載組合。由于N為豎向壓力，因此，單個地腳螺栓所受的外荷載為：（1）由鋼包于回轉(zhuǎn)臺臺座法蘭盤的面積遠(yuǎn)大于地腳螺栓的面積，因此，近似取地腳螺栓所受的外荷載：（2）鋼包回轉(zhuǎn)臺的外荷載Fk通過法蘭盤、墊板、地腳螺栓等被聯(lián)接件傳遞給鋼筋混凝土基礎(chǔ)，由于法蘭盤及墊板的剛度影響區(qū)域?qū)Φ啬_螺栓受力影響很大，因此，考慮地腳螺栓、法蘭盤、墊板的剛度系數(shù)的影響[7]，地腳螺栓工作拉力和工作應(yīng)力：，（3）式（3）中，地腳螺栓的預(yù)緊力P與最大外荷載Fmax、螺栓剛度c1、法蘭盤剛度c2及墊板剛度c3有關(guān)。根據(jù)保證被聯(lián)接不開裂的條件可得出預(yù)緊力的理論計(jì)算值[2]：（4）將公式（4）代入式（3）即可計(jì)算地腳螺栓的工作拉力Nt,k?！督ㄖY(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB50068-2001）》采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，地腳螺栓需滿足γoS≤R(γR,fk,αk,…)的要求，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=0.9、1.0、1.1。而根據(jù)設(shè)備及基礎(chǔ)的安全要求和工程經(jīng)驗(yàn)，一般采用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法。本文依據(jù)以往設(shè)計(jì)方法，采用許用應(yīng)力的安全系數(shù)法取1.2~2.5進(jìn)行分析。根據(jù)（1.2～2.5）Nt,max≤Nbt即可選擇地腳螺栓的直徑、性能等級。計(jì)算結(jié)果見表2。表2地腳螺栓設(shè)計(jì)Table2Thedesignoffoundationscrews工況鋼包回轉(zhuǎn)臺P/kNFt,max/kNNt,max/kNσmax/MPaσ0.2/MPaSP/MPa螺栓直徑等級材質(zhì)安全系數(shù)⑦ABC540350220422.9283.3215.0948.1623.4427.5736.3775.5781.4108010801080970970970φ45φ36φ3012.945CrNiMoo1.321.251.242.3地腳螺栓的抗拉疲勞驗(yàn)算地腳螺栓為鋼包回轉(zhuǎn)臺與基礎(chǔ)的連接件。根據(jù)連鑄連軋車間連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)及鋼包回轉(zhuǎn)臺工作的各種工況可知，在預(yù)緊力及鋼包回轉(zhuǎn)臺傾覆荷載作用下，地腳螺栓始終處于受拉狀態(tài)。對應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n≥5×104、且出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位需要進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。考慮到實(shí)測條件中的應(yīng)力狀態(tài)，難以包括長期使用時各種錯綜復(fù)雜的狀況，忽略欠荷載系數(shù)αf的影響偏于安全[2]，取αf=1.0，其變幅疲勞近視按常幅疲勞（△σ=σkmax-0.7σkmin）進(jìn)行驗(yàn)算。表3計(jì)算結(jié)果表明，取應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n=5×104進(jìn)行地腳螺栓疲勞驗(yàn)算，按（1.2~2.5）σmax=SP選擇的地腳螺栓不能滿足使用要求。表3地腳螺栓疲勞驗(yàn)算Table3Thefatigueanalysisoffoundationscrews工況Fkt,max/kNNkt,max/kNNkt,min/kNσkmax/MPaσkmin/MPaΔσ/MPan/kNC/×1012β[△σ]n/MPa⑦A301.2830.7249.3φ45645.2193.6509.75×104119404443.8φ52479.0143.8378.3B209.6552.3147.7φ36687.1183.7558.5φ42505.7135.2411.1C140.8355.984.1φ30650.1153.7542.5φ32509.3120.4425.03地腳螺栓與混凝土基礎(chǔ)的錨固分析地腳螺栓的預(yù)緊力和鋼包回轉(zhuǎn)臺的傾覆力由摩擦力及面承力兩部分承擔(dān)，見圖2（b）。地腳螺栓桿與混凝土界面的粘結(jié)主要由栓桿與混凝土的粘聚力和摩擦力決定。在軸向拉力的作用下，圓鋼隨著深度的增加，圓鋼的軸力趨于減少[8]，見圖3（b）。對地腳螺栓栓桿，其軸力沿桿體的分布為：(5)則地腳螺栓栓桿與混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力τ為[10]：(6)因此，地腳螺栓隨深度的增加，地腳螺栓栓桿與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力τ逐漸減少[8,9]。栓桿與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度較低，混凝土與光面鋼筋之間粘結(jié)強(qiáng)度約為0.53~7.2MPa[11]，砂漿與圓鋼粘結(jié)強(qiáng)度為2.5MPa[13]。遠(yuǎn)高于表2計(jì)算的地腳螺栓的最大工作應(yīng)力。由于栓桿與界面混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度低于界面應(yīng)力，混凝土界面的裂縫將趨于發(fā)展和擴(kuò)大。栓桿與混凝土粘接面將產(chǎn)生相對滑移、破裂并往深部傳遞[11,12]，相應(yīng)地，地腳螺栓的軸向應(yīng)力逐漸也向深處傳遞。因此，計(jì)算中可以考慮地腳螺栓的軸向應(yīng)力由錨板的面承力來承擔(dān)，將地腳螺栓桿與混凝土界面的粘結(jié)力的影響作為地腳螺栓的安全儲備。4結(jié)論（1）鋼包回轉(zhuǎn)臺抗傾覆驗(yàn)算中，應(yīng)根據(jù)承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行分析。在承載能力極限狀態(tài)計(jì)算中，根據(jù)荷載的基本組合或偶然組合，選取最不利組合進(jìn)行分析。根據(jù)鋼包回轉(zhuǎn)臺設(shè)備的特點(diǎn)，在荷載組合中，恒荷載及活荷載不應(yīng)乘分項(xiàng)系數(shù)；在疲勞驗(yàn)算中，取荷載的基本組合，不乘動力系數(shù)、沖擊系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。（2）按鋼包回轉(zhuǎn)臺傾覆荷載和地腳螺栓預(yù)緊力計(jì)算確定的地腳螺栓的等級，應(yīng)結(jié)合鋼包回轉(zhuǎn)臺的實(shí)際工作狀況，同時對地腳螺栓進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。當(dāng)?shù)啬_螺栓疲勞驗(yàn)算不滿足要求時，應(yīng)根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果調(diào)整地腳螺栓，以滿足疲勞驗(yàn)算的要求。（3）地腳螺栓栓桿與混凝土界面的粘結(jié)主要由栓桿與混凝土的粘聚力和摩擦力決定。隨深度的增加，地腳螺栓栓桿與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力τ逐漸減少。由于上部荷載大，栓桿的軸向應(yīng)力遠(yuǎn)大于混凝土與栓桿的粘結(jié)強(qiáng)度，在鋼包回轉(zhuǎn)臺工作中，栓桿與混凝土產(chǎn)生裂縫并逐漸分離，地腳螺栓的軸