淺談煙囪基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型

王欣

中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司，中國(guó)·北京 100088

1 引言

煙囪屬于土建特種結(jié)構(gòu)，且具有高柔、外露、無(wú)圍護(hù)等特點(diǎn)，和高層建筑一樣，煙囪的上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的豎向承載力要求很高，對(duì)基礎(chǔ)的水平承載力也有著極高的要求，同時(shí)對(duì)沉降和不均勻沉降的要求也較高，因此，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需具有整體性好、豎向承載力高、沉降小以及調(diào)節(jié)不均勻沉降能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

2 基礎(chǔ)形式

在煙囪的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，通?；A(chǔ)分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)。

2.1 淺基礎(chǔ)

常見的用于煙囪的淺基礎(chǔ)形式有剛性基礎(chǔ)、鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)（平板式基礎(chǔ)、肋板式基礎(chǔ)）和鋼筋混凝土殼體基礎(chǔ)等。其中，剛性基礎(chǔ)一般都用于高度較小，地基條件較好的煙囪，其材料為磚、片石、片石混凝土和混凝土。目前使用最為廣泛的煙囪基礎(chǔ)形式是鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)（包括環(huán)形及圓形），適用于各種煙囪結(jié)構(gòu)形式，其特點(diǎn)是受力簡(jiǎn)單，施工方便，耐久性好，板內(nèi)受力鋼筋可施加預(yù)應(yīng)力。

除此之外，煙囪的基礎(chǔ)形式還有鋼筋混凝土殼體基礎(chǔ)，常用的形式有M形組合殼、正倒錐組合殼等，其中M形組合殼基礎(chǔ)的底面積展開面積較大，多用于承載力較低的煙囪。正倒錐組合殼基礎(chǔ)因其底部中空向外傾斜，從而可有效避開煙氣溫度，降低基礎(chǔ)溫度應(yīng)力，該形式基礎(chǔ)空間剛度大，抵抗力強(qiáng)，能充分發(fā)揮材料性能，薄殼基礎(chǔ)的受力較合理，混凝土用量少，但對(duì)施工要求較高，施工較復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)耐久性稍差，條件成熟時(shí)可優(yōu)先考慮此基礎(chǔ)類型。

2.2 深基礎(chǔ)（樁基礎(chǔ)）

當(dāng)淺層地基土質(zhì)不良，采用淺基礎(chǔ)不能滿足承載力強(qiáng)度和地基變形要求時(shí)，則可采用樁基礎(chǔ)。在煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，常采用的樁的形式為鋼筋混凝土灌注樁和預(yù)制樁。灌注樁主要采用沉管灌注樁和鉆孔灌注樁，預(yù)制樁主要采用混凝土方樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。煙囪樁基設(shè)計(jì)過程中，為便于樁的制作和施工，應(yīng)盡量選用形式統(tǒng)一的樁，以達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 受力及設(shè)計(jì)分析

煙囪屬于靜定結(jié)構(gòu)且為長(zhǎng)柔懸臂結(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載、地震作用及煙囪筒身的附加彎矩作用下，作用于煙囪底部的彎矩值是相當(dāng)大的，遠(yuǎn)大于作用于煙囪底部的豎向力，煙囪在水平作用下（主要為風(fēng)荷載和地震作用）有較大的側(cè)移，會(huì)引起很大的 Δ-P 效應(yīng)，頂部水平位移較大，從而對(duì)截面破壞非常敏感，因此煙囪基礎(chǔ)受力計(jì)算主要是由偏心荷載作用控制。

3.1 淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1.1 基礎(chǔ)尺寸的初步確定

根據(jù)GB 50051—2013《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.4.1條規(guī)定，當(dāng)板式基礎(chǔ)為圓形基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)半徑應(yīng)根據(jù)煙囪底部筒身半徑和厚度確定?？傻茫?/p>

式中，rz為環(huán)壁底面中心處半徑，其余符合如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)應(yīng)力分布

3.1.2 地基承載力驗(yàn)算

依據(jù)GB 50051—2013《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.2.1條規(guī)定，具體如下。

軸心荷載作用時(shí)：

偏心荷載作用時(shí)，除應(yīng)滿足上式要求外，尚應(yīng)滿足下式要求：

同時(shí)，要求地基最小壓力滿足：

其中，Nk—相應(yīng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，煙囪筒壁結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力，kN；

Gk—基礎(chǔ)自重標(biāo)準(zhǔn)值和基礎(chǔ)上土重標(biāo)準(zhǔn)值之和，kN；

fa—修正后的地基承載力特征值，kPa；

Mk—相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，傳至基礎(chǔ)底面的彎矩值，kN·m；

W—基礎(chǔ)底面的抵抗矩，m3；

A—基礎(chǔ)底面面積，m2。

3.1.3 基礎(chǔ)底板內(nèi)力

基礎(chǔ)采用剛性構(gòu)件假定，基底反力按均布荷載采用，基礎(chǔ)底板內(nèi)力計(jì)算時(shí)選取外懸挑中點(diǎn)處的最大壓力，可得：

其中，Mz—作用于基礎(chǔ)底面的總彎矩設(shè)計(jì)值，kN·m；

N—作用于基礎(chǔ)頂面的垂直荷載設(shè)計(jì)值（不含基礎(chǔ)自重和土重），kN；

I—基礎(chǔ)底面慣性矩，m4。

同理，環(huán)形基礎(chǔ)尺寸可依據(jù)GB 50051—2013《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)算。

鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)適用于各種煙囪形式，當(dāng)?shù)酌娣e相同時(shí)，環(huán)形基礎(chǔ)抵抗矩要大于圓形板式基礎(chǔ)；同時(shí)，環(huán)形基礎(chǔ)可避開基礎(chǔ)中部高溫區(qū)域，從而減小溫度應(yīng)力作用，故應(yīng)優(yōu)先選用。但考慮到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通常在水位較高及周邊存在建（構(gòu)）筑物影響的情況下，也常選用圓形板式基礎(chǔ)。

3.2 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.2.1 豎向力

軸心受壓?jiǎn)螛冻休d力設(shè)計(jì)值應(yīng)滿足：

偏心豎向荷載作用下，單樁承載力除應(yīng)滿足上式外，還應(yīng)滿足：

其中，可得知：

式中，F(xiàn)k—相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，作用于樁基承臺(tái)頂面的豎向力；

Gk—樁基承臺(tái)和承臺(tái)上土自重標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)穩(wěn)定的地下水位以下部分應(yīng)扣除水的浮力；

Nk—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下，基樁或復(fù)合基樁的平均豎向力；

Nik—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下，第i基樁或復(fù)合基樁的平均豎向力；

Mk—相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用于承臺(tái)底面通過群樁形心軸的力矩值；

Ri—第i根樁的定位半徑；

θi—第i根樁的定位角度；

W—樁基承臺(tái)底面群樁對(duì)形心軸的抵抗矩；

Ra—單樁豎向承載力特征值。

樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的具體情況如圖2所示。

圖2 煙囪樁基布置圖

在樁間距滿足規(guī)范要求的前提下，樁數(shù)量越多，則抵抗矩越大，樁承受的最大豎向力設(shè)計(jì)值則越小。同時(shí)，當(dāng)樁位于圓心位置時(shí)，樁只承受豎向承載力，無(wú)法抵抗彎矩。因此，便于充分發(fā)揮樁基礎(chǔ)的作用同時(shí)取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，樁要盡量遠(yuǎn)離煙囪的圓心，故優(yōu)先考慮將樁基礎(chǔ)布置成環(huán)形。設(shè)計(jì)中一般不允許出現(xiàn)樁基受拉，在各種工況組合下也僅允許樁產(chǎn)生較小的拉力，并進(jìn)行樁的抗拔驗(yàn)算。

3.2.2 水平力

Hk—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，作用于樁基承臺(tái)底面的水平力；

Hik—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，作用于第i基樁或復(fù)合基樁的水平力；

n—樁基中的樁數(shù)。

樁基水平承載力特征值取決于樁的材料強(qiáng)度、截面剛度、入土深度、土質(zhì)條件、樁頂水平位移允許值和樁頂嵌固情況等因素，應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)水平載荷試驗(yàn)確定，必要時(shí)可進(jìn)行帶承臺(tái)樁的載荷試驗(yàn)。

樁基設(shè)計(jì)要注重概念設(shè)計(jì)，要綜合考慮樁型、成樁工藝、樁端持力層、樁徑、樁長(zhǎng)、單樁承載力、布樁、承臺(tái)形式及是否設(shè)置后澆帶等諸因素來(lái)確定煙囪工程樁基設(shè)計(jì)的總體構(gòu)思[2]。

3.3 基礎(chǔ)埋深

基礎(chǔ)埋深不應(yīng)小于周圍建筑物和構(gòu)筑物基礎(chǔ)的埋深，通常都在2～5m，在有地下煙道的情況以及對(duì)于高度超過150m的煙囪，尚需適當(dāng)加深，煙囪基礎(chǔ)應(yīng)建于可靠的地基上。在不良地基上建造煙囪時(shí)，須根據(jù)需要和土層具體情況采取必要的地基加固措施，有時(shí)還須采用樁基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

煙囪基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很復(fù)雜的計(jì)算過程，論文通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的煙囪基礎(chǔ)進(jìn)行分析和研究，從基礎(chǔ)受力、截面尺寸及施工難易程度等方面探討得到以下結(jié)論：

①煙囪高度較小時(shí)，地基優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單、施工方便的剛性基礎(chǔ)；

②煙囪基礎(chǔ)荷載主要是由上部煙囪產(chǎn)生的偏心荷載作用控制，因此抵抗矩W對(duì)于基礎(chǔ)大小起關(guān)鍵作用；

③鋼筋混凝土環(huán)形板式基礎(chǔ)比圓形板式基礎(chǔ)更具一定優(yōu)勢(shì)，但水位較高時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用圓形基礎(chǔ)；

④當(dāng)淺層地基土質(zhì)不良，則優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)，以滿足承載力強(qiáng)度和地基變形要求。樁要盡量遠(yuǎn)離煙囪的圓心，且環(huán)形布置，同時(shí)避免樁基出現(xiàn)拉應(yīng)力；

⑤考慮到溫度作用的影響，煙囪基礎(chǔ)應(yīng)盡量減小截面尺寸及埋深[3]。