樁巖混合地基條件下的間接空冷塔結(jié)構(gòu)有限元分析

陳良，劉志剛，聶恒寬，吳彩虹

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京市 100120)

0 引言

雙曲線型間接空冷塔的地基、基礎(chǔ)及塔體上部結(jié)構(gòu)是一個(gè)相互影響的整體［1］，其基礎(chǔ)直徑較大，對(duì)場(chǎng)地的承載能力及均勻性要求較高。神頭電廠2×600 MW燃煤發(fā)電機(jī)組采用間接空冷系統(tǒng)，共建有2座雙曲線型冷卻塔，冷卻塔均坐落在傾斜巖基上，場(chǎng)地整平后冷卻塔部分基礎(chǔ)坐落在巖基上，部分坐落在回填土上，回填土區(qū)域采用灌注樁處理。

巖基和樁基的存在使冷卻塔基礎(chǔ)存在巖性突變。進(jìn)行冷卻塔設(shè)計(jì)時(shí)很少考慮基礎(chǔ)的不均勻性，難以量化該突變節(jié)點(diǎn)對(duì)冷卻塔環(huán)基、塔筒等結(jié)構(gòu)的影響。本文以神頭電廠1號(hào)冷卻塔為例，采用有限元通用軟件ANSYS，模擬冷卻塔地基條件，經(jīng)與假定均勻地基條件下的塔筒結(jié)構(gòu)對(duì)比，量化分析地基巖性突變對(duì)冷卻塔基礎(chǔ)的影響，并給出具體的解決措施。

1 冷卻塔資料

冷卻塔塔頂設(shè)計(jì)標(biāo)高173.0 m(相對(duì)標(biāo)高)，喉部高度127.8 m，喉部半徑44.0 m;采用環(huán)板型基礎(chǔ)(簡(jiǎn)稱環(huán)基)，基礎(chǔ)中心半徑71.66 m，寬8.8 m;X支柱共44對(duì)，截面尺寸為1 000 mm×1 600 mm。

根據(jù)巖土勘測(cè)結(jié)果，基巖的溫克爾系數(shù)為100 000 kN/m3;設(shè)計(jì)采用的基本風(fēng)壓為0.63 kPa，B類場(chǎng)地［2］;塔內(nèi)運(yùn)行溫度為29.1℃，冬季塔外設(shè)計(jì)溫度為-30.5℃;計(jì)算時(shí)考慮了冷卻器等外部結(jié)構(gòu)作用在塔體上的荷載。

地基處理采用灌注樁，樁徑800 mm，樁長(zhǎng)為10～38 m，以灌注樁嵌入基巖為準(zhǔn)。地基處理后，該冷卻塔部分坐落在天然巖基上，部分坐落在灌注樁上;中間過(guò)渡段基巖埋深較淺，采用毛石混凝土置換巖土進(jìn)行處理。塔筒及支柱混凝土采用C45，環(huán)基混凝土采用C35;鋼筋采用HPB235、HRB335及HRB400。

2 冷卻塔模擬計(jì)算

為研究樁巖混合地基對(duì)冷卻塔的影響，本計(jì)算共分為2個(gè)部分，即分別計(jì)算該冷卻塔在均勻巖基和樁巖混合地基條件下的塔體各部分(重點(diǎn)是環(huán)基)內(nèi)力及配筋等，并進(jìn)行對(duì)比分析。

計(jì)算考慮的荷載主要有塔體自重［3］、風(fēng)荷載［2］、塔筒內(nèi)外溫差［3］以及冷卻三角等外部結(jié)構(gòu)作用在塔體上的力;對(duì)于混合地基，應(yīng)該考慮風(fēng)載方向與樁基的相對(duì)位置，冷卻塔樁基布置在175.9°～6.14°方位，計(jì)算時(shí)考慮多個(gè)不利風(fēng)向;對(duì)于均勻地基，只需要考慮1種來(lái)風(fēng)方向即可。

ANSYS模型中，塔筒采用SHELL63單元模擬，X支柱及環(huán)基采用BEAM188單元模擬;基礎(chǔ)對(duì)冷卻塔的作用采用COMBIN14單元模擬;根據(jù)設(shè)計(jì)資料，灌注樁采用單樁建模方案，采用COMBIN14單元模型。

2.1 樁基的模擬

計(jì)算時(shí)考慮每根樁的豎向剛度及水平剛度，從而確定其對(duì)應(yīng)的彈簧胡克系數(shù)［4-10］，計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中:單樁的豎向胡克系數(shù)為

式中:ξN為樁身軸向壓力傳遞系數(shù);h為樁的入土長(zhǎng)度，m;E、A分別為樁身彈性模量及橫截面面積;C0為樁地面地基土豎向抗力系數(shù);A0為單樁樁底壓力分布面積。

單樁的水平胡克系數(shù)為

表1 單樁彈簧系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of single pile’s spring coefficient

式中:δMM為樁頂單位彎矩作用時(shí)樁頂?shù)霓D(zhuǎn)角;δHH為樁頂單位水平力作用時(shí)樁頂?shù)乃轿灰?δMH為樁頂單位水平力作用時(shí)樁頂?shù)霓D(zhuǎn)角。

2.2 巖基的模擬

由于毛石混凝土剛度較大，范圍小，埋深淺，且直接與基巖接觸，故將其視為巖基。根據(jù)溫克爾系數(shù)及工程經(jīng)驗(yàn)，確定巖基彈簧單元的豎向胡克系數(shù)為22.42 ×108，水平胡克系數(shù)為14.80×108。

樁巖混合地基冷卻塔模型中，相鄰巖基彈簧單元間距2.045°，同等范圍內(nèi)布置4.16根樁。樁基與巖基的豎向胡克系數(shù)之比為0.226，二者相差非常大，即灌注樁處理后仍存在地基巖性突變。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 對(duì)塔筒局部穩(wěn)定的影響

大型冷卻塔的局部穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)必須考慮的因素，雙曲線冷卻塔的局部穩(wěn)定性按下式驗(yàn)算

式中:KB為局部穩(wěn)定性安全因子;σ1、σ2分別是考慮內(nèi)吸力的環(huán)向與子午向壓力;σcr1、σcr2分別為環(huán)向與子午向臨界壓力［3］。

式中:h、r0分別為塔筒喉部壁厚與半徑;v為殼體混凝土泊松比;K1、K2為塔筒幾何參數(shù)。

圖1為該冷卻塔在假定的均勻巖基條件及樁巖混合地基條件下的局部穩(wěn)定系數(shù)。樁巖混合地基對(duì)局部穩(wěn)定影響不大，在最危險(xiǎn)區(qū)域該影響小于1.5%。

圖1 塔筒局部穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.1 Calculation results of tower shell’s local stabilization coefficient

3.2 對(duì)環(huán)基位移的影響

圖2為自重作用下各支柱下環(huán)基的沉降結(jié)果，由圖2可知:(1)樁群末端(6.14°、175.9°)兩側(cè)的支柱基礎(chǔ)存在較大的位移差，最大位移差達(dá)5.3 mm;(2)相鄰支柱沉降差迅速變?yōu)?。

圖2 恒載作用下混合地基冷卻塔各支柱下環(huán)基沉降變形Fig.2 Settlement deformation of ring base below each pillar under mixed foundation under dead load

圖3為175.9°附近環(huán)基在自重作用下的位移結(jié)果。由圖3可知:地基突變對(duì)環(huán)基的水平位移影響較小，可不予考慮;本工程地基突變影響的范圍約20.46°(167.73°～188.19°)。

圖3 恒載作用下地基突變附近環(huán)基位移Fig.3 Deformation of ring base with mutations under dead load

由圖2、3可知:(1)對(duì)于環(huán)基，基礎(chǔ)巖性突變只影響該突變附近局部范圍內(nèi)的環(huán)基;(2)基礎(chǔ)巖性突變對(duì)環(huán)基的沉降差影響較大;(3)基礎(chǔ)巖性突變影響范圍約±10.23°，其中主要集中在突變點(diǎn)±6°以內(nèi)。

3.3 對(duì)環(huán)基配筋的影響

表2為某一方向風(fēng)載作用下樁群末端附近的環(huán)基內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。受基礎(chǔ)巖性突變的影響，相應(yīng)位置環(huán)基內(nèi)力發(fā)生較大變化，如在工況I中，軸向拉力(即表中切向力)增大了近50%，豎向彎矩也增大了63%以上。經(jīng)過(guò)計(jì)算，混合地基條件下此處環(huán)基側(cè)面配筋比均勻地基條件下增大約50%。

3.4 對(duì)塔筒配筋的影響

表3為假定均勻巖基條件下的塔筒配筋計(jì)算結(jié)果及本工程的實(shí)際配筋計(jì)算結(jié)果。由于塔筒內(nèi)力數(shù)據(jù)較多，限于篇幅，本表只統(tǒng)計(jì)了每隔3層模板的配筋對(duì)比結(jié)果。由表3可看出，由于塔筒內(nèi)側(cè)2個(gè)方向配筋大部分為構(gòu)造配筋，因此地基突變對(duì)塔筒該方向配筋影響不大或基本沒影響;此外，地基突變對(duì)塔筒豎向外側(cè)配筋有一定的影響，但影響較小;另一方面，地基突變對(duì)環(huán)向外側(cè)配筋影響比較限制，這是因?yàn)槭墉h(huán)基不均勻沉降的影響，塔筒相應(yīng)位置兩側(cè)混凝土亦產(chǎn)生較大的豎向變形差，進(jìn)而導(dǎo)致水平配筋的增大。

表2 地基突變處環(huán)基內(nèi)力計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of internal forces at ring mutation part

表3 塔筒配筋計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of shell reinforcement mm2

4 結(jié)論

樁巖混合地基條件下，神頭電廠冷卻塔的地基存在巖性突變的情況;該巖性突變使得環(huán)基產(chǎn)生不均勻沉降差，不僅對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的環(huán)基內(nèi)力存在影響，甚至影響到塔筒的內(nèi)力分布及配筋;其中受影響最大的是環(huán)基。對(duì)于混合地基，應(yīng)盡量減少地基的差異，同時(shí)應(yīng)加大環(huán)基局部配筋;由于塔筒外壁環(huán)向配筋增大較大，必要時(shí)可分區(qū)域配筋，可將塔筒區(qū)分為樁基區(qū)域、巖基區(qū)域及過(guò)渡區(qū)域，以減少鋼筋量。采用樁巖混合方案，可解決神頭工程冷卻塔地基不均勻問題。數(shù)值分析揭示出地基突變引起塔體各部分的變化規(guī)律，對(duì)相似工程具有一定的參考意義。

［1］李輝.冷卻塔考慮地基-基礎(chǔ)-上部結(jié)構(gòu)相互作用的地震反應(yīng)分析［D］.西安:西安理工大學(xué)，2010.

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