槽式太陽能熱發電站鏡場內小荷載基礎取消二次灌漿的可行性研究

青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司 ■ 馬其森

0 引言

太陽能作為一種清潔可再生能源，在能源戰略中占有重要地位。太陽能熱發電憑借其可儲熱、可調峰、可連續發電的優點，正在成為新能源領域的投資熱點。聚光型熱發電技術主要有槽式、塔式、碟式和菲涅耳式4種。其中，槽式聚光技術是利用槽式拋物面聚光器，將太陽光匯聚在一條線上，在焦線上安裝管狀集熱器，吸收太陽輻射能；眾多槽式聚光器串、并聯組成了聚光集熱器陣列[1]。集熱器集中布置的區域被稱為鏡場。

槽式太陽能熱發電站中有一個一定長度的串聯管道，連接在槽式聚光器的兩個相鄰回路間，如圖1所示。這類管道的直徑小、荷載小、高度高，適合采用鋼柱支撐；鋼柱基礎采用獨立擴展基礎。

圖1 聚光集熱器回路

在槽式太陽能熱發電站中，整個鏡場中導熱油管道的長度長、分布廣，布置復雜有序，而串聯管道的支撐基礎體量小、個數多，以百千計。此類基礎可考慮使用預制基礎。施工過程中，所有串聯管道的基礎均需要進行二次灌漿處理，以確保基礎澆注時混凝土與柱腳底板之間緊密連接，而且二次灌漿的施工過程不能通過對基礎混凝土預制而省略。雖然目前尚無針對管道基礎取消二次灌漿的技術研究，但槽式聚光器的支撐基礎取消二次灌漿已經有相關的工程實踐。而且槽式聚光器的支撐基礎所承受的荷載遠比串聯管道基礎的荷載要大且復雜，因此，研究小荷載的管道基礎取消二次灌漿，具有相當大的實際意義、經濟價值和應用前景。

1 問題分析

在鋼結構設計中，柱腳底板與混凝土基礎之間采用預埋錨栓進行連接。在施工過程中，由于一次混凝土現場澆注難以控制澆注面的平整度，因此在鋼結構安裝后，柱腳底板與混凝土基礎之間難以緊密貼合。為避免出現此種情況，在基礎澆注過程中，往往采用二次灌漿技術，利用細石混凝土或特殊灌漿材料，填滿柱腳底極與混凝土基礎之間的空隙，保證二者貼合緊密、傳力順暢，如圖2所示。

圖2 二次灌漿示意圖

基礎澆注過程中，二次灌漿的作用主要體現在：1)防止錨栓被腐蝕；2)提供更均勻可靠的傳遞軸力路徑；3)在不設置剪鍵的情況下，依靠摩擦力提供抗剪能力。

以上3點也是在取消二次灌漿后需要重點解決的問題。對于錨栓腐蝕的問題，可以采用鍍鋅防腐等措施避免；對于柱腳向下傳遞拉壓力或彎矩的問題，可通過錨栓的抗拉來完成力的傳遞。因此，若取消二次灌漿，需重點關注錨栓的抗剪能力。錨栓的抗剪能力主要包括受拉和受壓情況下的抗剪性能。

2 中美兩國行業規范的對比

我國的GB 50017-2003《鋼結構設計規范》表3.4.1-4中表述，錨栓只提供抗拉承載力，這間接說明錨栓不參與抗剪計算。

美國的標準設計指導手冊《AISC Steel Design Guide 1—Column Base Plates (2nd Edition)》[2]中，提到有3種方法將剪力從柱腳底板傳遞至混凝土基礎上，分別是：1)依靠柱腳底板和混凝土/灌漿層的摩擦力提供抗剪能力；2)通過剪力鍵提供抗剪能力；3)錨栓的抗剪能力。

因此，在美國的標準設計指導手冊中，柱腳底板上的錨栓是可以參與抗剪的。這就為鏡場小荷載基礎取消二次灌漿設計，提供了設計途徑和方法。

3 抗剪錨栓設計

由于制造和安裝的需要，柱腳底板上的錨栓孔大于錨栓直徑。因此，在承受水平力時，柱腳底板相對于錨栓位置往往會有一定的位移，這就造成了水平力不能均勻地由全部錨栓共同承擔的現象。為降低這種現象導致的計算難度，需要通過一定的措施，以保證水平力由全部錨栓共同承擔。這些措施包括：1)柱腳底板上部的錨栓墊片需要與柱腳底板焊接；2)墊片孔徑應為“錨栓直徑 + 1.6 mm”。

通過以上措施，剪力可由全部錨栓共同承擔。在水平剪力作用下，錨栓應進行壓彎/拉彎計算。

當墊片不與柱腳底板焊接時，需要考慮柱腳底板與錨栓之間的相對位移，由此導致了由最不利側的兩個錨栓提供抗剪能力。本文對此不進行詳細論述。

4 工程實踐

4.1 背景簡介

現以國外某太陽能熱發電站的工程實際情況為例，闡述小荷載基礎取消二次灌漿的可行性。該熱發電站的管道支撐的結構形式如圖3所示。

圖3 管道支撐的結構形式

由圖3可知，管道支撐鋼柱將在柱底產生彎矩、豎向力和水平雙向的剪力。根據不同的管道荷載，可計算得出柱腳最不利的荷載組合，如表1所示。本文以這5種管道產生的柱腳最不利荷載組合為例，進行錨栓受力計算。

表1 柱腳最不利荷載組合

4.2 模型建立與分析

綜上所述可以看出，取消二次灌漿的設計計算，實質上是對錨栓在剪力作用下的拉/壓計算。

根據柱腳底板和錨栓的位置關系，利用SAP2000建立分析模型進行模擬計算。其中，錨栓采用一定直徑的圓形截面，以直徑24 mm進行計算；材料及長度均按照工程實際進行建模。柱腳底板采用殼單元，厚度及材料按照工程實際進行建模。由于本工程中管道荷載小，因此柱腳采用4根錨栓進行計算。

錨栓底部嵌入混凝土，因此可以將錨栓底部設置為固結支座。柱腳底板按照荷載作用點和連接點進行分隔。總體模型如圖4所示。

圖4 柱腳底板與錨栓的SAP2000模型

向柱腳底板的中心點施加表1中5種最不利荷載組合。通過模型中的柱腳底板(紅色)殼單元，向錨栓(藍色)傳遞力，從而對錨栓進行受力分析，最終結果如圖5所示(為顯示方便，隱去紅色底板)。

圖5 5種荷載組合下錨栓應力比情況

由計算結果可知，1#～3#荷載組合下錨栓的應力比小于1，因此通過了錨栓的剪壓設計計算；由于4#和5#荷載組合下錨栓的彎矩和剪力大，在不利側的錨栓產生了較大的應力，結果顯示為應力比超限(＞1)，不能通過剪壓設計計算。通過對錨栓直徑和材料進行修改，利用較大直徑的錨栓和高強度的材料，結果顯示可以通過相關設計計算。

因此，根據美國標準進行建模分析后發現，小荷載的管道基礎取消二次灌漿后，錨栓可抵抗適當的剪力。

5 基礎抗剪介紹

在美國的標準設計指導手冊中，對取消二次灌漿后基礎的抗剪設計進行了一系列的規定，對錨栓的埋設位置有一定要求，并指出需要進行基礎的抗劈裂計算。

混凝土基礎的抗劈裂計算公式經簡化后，混凝土抗劈裂的名義值Vcb可表示為：

式中，Av為錨栓劈裂區域面積；Avo為單根錨栓的劈裂區域核心區的面積，大小為4.5c12；ψ6為當基礎側面保護層厚度影響劈裂核心區大小時，對混凝土抗劈裂能力的調整系數，一般可取1.0；do為錨栓直徑；fc′為混凝土抗壓強度；c1為水平力荷載方向上，錨栓到混凝土邊緣的距離；系數10.4需要在英制單位下使用。

當c1足夠大時，混凝土劈裂便不再作為錨栓設計時的控制條件，其控制條件變為錨栓的拉剪和壓剪計算。

單根錨栓劈裂區域示意圖如圖6所示。

圖6 單根錨栓劈裂區域示意圖

混凝土基礎的抗劈裂能力計算，僅在不配筋混凝土中需要進行檢驗。在配筋混凝土中，只需要采取一定的構造措施保證剪力傳遞即可。其構造措施與國標類似：1)錨栓位置需在短柱的角筋核心區內部；2)需在短柱頂部130 mm范圍內布置水平向3層直徑10 mm的鋼筋網片 或2層直徑12 mm的鋼筋網片[3]。

6 小結

對于配筋混凝土基礎，按照構造要求設置鋼筋網片、將墊片與柱腳底板焊接、墊片孔徑略大于螺栓直徑等措施可以取消混凝土基礎的二次灌漿，但同時錨栓需要進行壓彎/拉彎驗算，保證錨栓的抗剪性能。需要注意的是，錨栓的抗剪能力有限，因此，外荷載不能過大是取消基礎二次灌漿設計的前提條件。在美國的標準設計指導手冊中，推薦在抗剪計算中，錨栓的最大直徑不宜超過32 mm，更加限制了在取消基礎二次灌漿設計時外荷載的量級。

對于鏡場管道支撐基礎來說，其管道荷載較小，為取消二次灌漿設計提供了前提條件。在滿足相關構造措施和錨栓計算后，可以取消二次灌漿，從而節省了大量的灌漿施工作業，對工程應用具有非常實際的經濟效益。

7 結論

本文以國外某太陽能熱發電站的工程實際情況為例，利用SAP2000建立分析模型，論證了小荷載管道基礎取消二次灌漿的可行性，從而節省了大量的灌漿施工作業。但以上結論是以鏡場管道支撐基礎荷載較小為前提條件的，在美國的標準設計指導手冊中，推薦在抗剪計算中錨栓的最大直徑不宜超過32 mm，更加限制了在取消二次灌漿設計時外荷載的量級。