鍋爐鋼構(gòu)架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法探討

王國(guó)福

(甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，蘭州 730010)

1 引言

鍋爐裝置作為全廠區(qū)的動(dòng)力之源，在現(xiàn)代化工及電力行業(yè)的飛速發(fā)展中，爐型不斷地由輕小型轉(zhuǎn)變?yōu)橹卮笮?，其鋼?gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也在不斷調(diào)整，進(jìn)而導(dǎo)致鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度也在逐漸增大[1-2]。同時(shí)，鍋爐裝置及其支撐裝置的鋼構(gòu)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常以總包形式交由鍋爐廠家完成，其構(gòu)架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作則交給后續(xù)其他設(shè)計(jì)單位完成。不同廠家對(duì)于鋼構(gòu)架的布置方案及計(jì)算原則不一致，進(jìn)而導(dǎo)致了后續(xù)設(shè)計(jì)單位對(duì)于鋼構(gòu)架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一些困擾。因此，本文對(duì)已完成的相關(guān)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行梳理，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，為后續(xù)鍋爐鋼構(gòu)架的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

2 設(shè)計(jì)思路的提出

由于相關(guān)因素的制約，不同廠家對(duì)于鋼構(gòu)架設(shè)計(jì)理念的不一致，導(dǎo)致鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)計(jì)算的假定不一致，使得鋼構(gòu)架的鋼柱腳與基礎(chǔ)連接的形式不同，不同的連接形式導(dǎo)致鋼柱腳傳遞的荷載有所區(qū)別。同時(shí)，廠家所提的鋼柱腳荷載往往是以單一工況形式提出，在這種上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)分開計(jì)算的模式下，單一荷載工況在目前的電算軟件中不能直接實(shí)現(xiàn)組合轉(zhuǎn)化。因此，怎么將單一工況荷載轉(zhuǎn)化為組合后的目標(biāo)工況荷載進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)工作是后續(xù)設(shè)計(jì)單位所遇到的一些難題。本文針對(duì)這種情況提出了以下的設(shè)計(jì)思路(見圖1）。

該思路中第二步，荷載工況組合是根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]3.0.5 條及3.0.6 條進(jìn)行組合：主要組合包括：(1）標(biāo)準(zhǔn)組合(21 種組合）；(2）準(zhǔn)永久組合(1 種組合）；(3）基本組合(43 種組合）。

根據(jù)不同組合的結(jié)果，提取目標(biāo)組合結(jié)果的最大值。利用PKPM 軟件，建立的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，按照恒載輸入每個(gè)柱腳在標(biāo)準(zhǔn)組合下的最大值，然后在前處理階段，可以不考慮地震和風(fēng)荷載工況，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

第四步，根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)資料初步確定基礎(chǔ)類型，在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊下，輸入相關(guān)參數(shù)，完成鋼柱腳的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作。在這一步中，由于不考慮地震和風(fēng)載工況，在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊中標(biāo)準(zhǔn)組合工況可以理解為由第三步轉(zhuǎn)換為了1.0 恒的工況，進(jìn)而可以完成基礎(chǔ)大小的確定或者柱腳樁數(shù)的確定。此時(shí)基本組合的系數(shù)可以取為1.35(偏保守），或者直接在確定完基礎(chǔ)大小之后，選取第三步中基本組合下的最大值輸入各柱腳中。經(jīng)過驗(yàn)證，按基本組合荷載的最大值是1.3 倍恒載的1.00～1.02 倍，故可以直接用標(biāo)準(zhǔn)組合的最大值代入基本組合。因此，可以計(jì)算出基礎(chǔ)的配筋結(jié)果。

一般情況下，鍋爐鋼構(gòu)架基礎(chǔ)是需要計(jì)算沉降的。經(jīng)驗(yàn)證，按照準(zhǔn)永久組合的鋼柱腳荷載值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)組合下的荷載值，可以充分利用標(biāo)準(zhǔn)組合的荷載值計(jì)算基礎(chǔ)沉降，這樣計(jì)算下的沉降數(shù)值偏大，在滿足規(guī)范的前提下，此方法更為保守。至此，鍋爐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作完成。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某項(xiàng)目位于安徽某地，采用2 臺(tái)420 t 煤粉鍋爐，其1 臺(tái)鍋爐鋼構(gòu)架布置如圖2所示。

3.2 柱腳荷載條件

表1 單一工況下柱腳荷載值

3.3 柱腳荷載工況組合

經(jīng)第二步的荷載組合應(yīng)用系統(tǒng)得出，該柱腳在標(biāo)準(zhǔn)組合、準(zhǔn)永久組合以及基本組合下的軸力和水平力最大值如表2所示。

表2 不同目標(biāo)組合下的柱腳荷載最大值

若組合后軸力出現(xiàn)負(fù)值，則在后續(xù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)特別注意。一般情況軸力組合值不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，因?yàn)榈卣鹱饔檬歉鶕?jù)重力荷載計(jì)算，除非在極高烈度地震作用下，此時(shí)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行專門研究。

3.4 電算過程

在PKPM 軟件中建立基本的短柱模型，并將標(biāo)準(zhǔn)組合的荷載最大值按照恒載輸入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中。在PKPM 計(jì)算軟件前處理時(shí)，可以選擇不考慮地震作用和風(fēng)載計(jì)算進(jìn)行計(jì)算，得出鍋爐柱腳短柱的受力及配筋結(jié)果。同時(shí)，經(jīng)計(jì)算可知，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊中短柱的標(biāo)準(zhǔn)組合和準(zhǔn)永久的數(shù)值即為按照第二步計(jì)算的荷載數(shù)值。而其基本組合的數(shù)值則約為1.30 倍的恒載(第二步中的標(biāo)準(zhǔn)組合的最大值），此時(shí)計(jì)算的基本組合的數(shù)值略小于第二步中的基本組合的最大值，因此，基本組合時(shí)的恒載系數(shù)可以取為1.35 或者反算系數(shù)，本例中的恒載系數(shù)可取為1.32 左右，設(shè)計(jì)人員可自行選擇保守與否。至此，鍋爐鋼柱腳基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的荷載計(jì)算完成，可以進(jìn)行第四步。

由于鍋爐短柱組合計(jì)算后的荷載一般較大，同時(shí)受到地質(zhì)條件的制約，鍋爐基礎(chǔ)方案的選擇也是尤為重要。經(jīng)眾多項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于土層比較均勻以及地基承載力特征值fak≥130 kPa 時(shí)，可采用獨(dú)立基礎(chǔ)或者筏板基礎(chǔ)，筏板基礎(chǔ)多用于鍋爐基礎(chǔ)與動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)聯(lián)合時(shí)使用。若是fak＜130 kPa，則一般推薦為樁承臺(tái)或者樁筏基礎(chǔ)。本例根據(jù)地質(zhì)資料，最終選擇的基礎(chǔ)方案為樁基?；鶚敦Q向承載力特征值Ra為1 800 kN，水平承載力特征值為Rha為200 kN。通過計(jì)算，可知該柱腳下樁基數(shù)量為5 根(為豎向力控制而非水平力控制）。其中，根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4]5.2.1 條，該柱腳下樁基承載力計(jì)算結(jié)果如下：

Nk=1 586 kN＜Ra=1 800 kN，Nkmax=1 943 kN＜1.2Ra=2 160 kN

式中，Nk為荷載效應(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；Nkmax為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下，樁頂最大豎向力。

該柱腳下樁基布置及承臺(tái)配筋如圖3所示。

3.5 沉降計(jì)算

上述3.1～3.4 階段為該柱腳基礎(chǔ)的承載力驗(yàn)算工作。后續(xù)則需要根據(jù)上述荷載計(jì)算該柱腳樁基的沉降及相鄰柱腳樁基之間的乘沉降差。最終，通過軟件計(jì)算結(jié)果可知，該柱腳的樁基沉降約為30 mm，滿足規(guī)范要求。在此要特別注意，對(duì)于大型鍋爐基礎(chǔ)，基礎(chǔ)承載力設(shè)計(jì)要求與沉降計(jì)算的要求同等重要。此方法計(jì)算的沉降值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)在準(zhǔn)永久組合時(shí)的沉降值，若此方法中計(jì)算的沉降值及沉降差滿足規(guī)范要求，則在準(zhǔn)永久組合時(shí)的沉降更是滿足規(guī)范的。因此，此方法計(jì)算的沉降相對(duì)保守，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況酌情參考，亦可自行選取準(zhǔn)永久組合時(shí)的荷載對(duì)鍋爐基礎(chǔ)的沉降進(jìn)行更為精確的計(jì)算。

4 結(jié)語

源于鍋爐本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的特殊性，在設(shè)計(jì)工作中需要廠家和后續(xù)設(shè)計(jì)單位的高度協(xié)調(diào)，在上部鋼構(gòu)架與基礎(chǔ)分開計(jì)算的模式下，怎么在滿足工藝、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、適用的要求下，完成相關(guān)設(shè)計(jì)工作及確保后續(xù)鍋爐鋼構(gòu)架的順利安裝，是值得各個(gè)單位思考的重要問題。本文從結(jié)構(gòu)專業(yè)出發(fā)，在已完成的相關(guān)設(shè)計(jì)任務(wù)中歸納總結(jié)提出一種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的新方法，起到拋磚引玉的作用，希望為后續(xù)鍋爐鋼構(gòu)架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。