鍋爐鋼構架基礎設計方法探討

王國福

(甘肅路橋建設集團有限公司，蘭州 730010)

1 引言

鍋爐裝置作為全廠區(qū)的動力之源，在現代化工及電力行業(yè)的飛速發(fā)展中，爐型不斷地由輕小型轉變?yōu)橹卮笮停滗摌嫾艿慕Y構設計也在不斷調整，進而導致鋼構架結構設計難度也在逐漸增大[1-2]。同時，鍋爐裝置及其支撐裝置的鋼構架的結構設計通常以總包形式交由鍋爐廠家完成，其構架基礎設計工作則交給后續(xù)其他設計單位完成。不同廠家對于鋼構架的布置方案及計算原則不一致，進而導致了后續(xù)設計單位對于鋼構架基礎設計的一些困擾。因此，本文對已完成的相關設計工作進行梳理，提出了一種新的設計思路，為后續(xù)鍋爐鋼構架的基礎設計提供了新的思路。

2 設計思路的提出

由于相關因素的制約，不同廠家對于鋼構架設計理念的不一致，導致鋼構架結構計算的假定不一致，使得鋼構架的鋼柱腳與基礎連接的形式不同，不同的連接形式導致鋼柱腳傳遞的荷載有所區(qū)別。同時，廠家所提的鋼柱腳荷載往往是以單一工況形式提出，在這種上部結構與基礎分開計算的模式下，單一荷載工況在目前的電算軟件中不能直接實現組合轉化。因此，怎么將單一工況荷載轉化為組合后的目標工況荷載進行下一步的設計工作是后續(xù)設計單位所遇到的一些難題。本文針對這種情況提出了以下的設計思路(見圖1）。

該思路中第二步，荷載工況組合是根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》[3]3.0.5 條及3.0.6 條進行組合：主要組合包括：(1）標準組合(21 種組合）；(2）準永久組合(1 種組合）；(3）基本組合(43 種組合）。

根據不同組合的結果，提取目標組合結果的最大值。利用PKPM 軟件，建立的結構設計模型，按照恒載輸入每個柱腳在標準組合下的最大值，然后在前處理階段，可以不考慮地震和風荷載工況，完成結構設計計算。

第四步，根據場地地質資料初步確定基礎類型，在地基基礎設計模塊下，輸入相關參數，完成鋼柱腳的基礎設計工作。在這一步中，由于不考慮地震和風載工況，在地基基礎設計模塊中標準組合工況可以理解為由第三步轉換為了1.0 恒的工況，進而可以完成基礎大小的確定或者柱腳樁數的確定。此時基本組合的系數可以取為1.35(偏保守），或者直接在確定完基礎大小之后，選取第三步中基本組合下的最大值輸入各柱腳中。經過驗證，按基本組合荷載的最大值是1.3 倍恒載的1.00～1.02 倍，故可以直接用標準組合的最大值代入基本組合。因此，可以計算出基礎的配筋結果。

一般情況下，鍋爐鋼構架基礎是需要計算沉降的。經驗證，按照準永久組合的鋼柱腳荷載值遠遠小于標準組合下的荷載值，可以充分利用標準組合的荷載值計算基礎沉降，這樣計算下的沉降數值偏大，在滿足規(guī)范的前提下，此方法更為保守。至此，鍋爐基礎設計工作完成。

3 工程應用

3.1 工程概況

某項目位于安徽某地，采用2 臺420 t 煤粉鍋爐，其1 臺鍋爐鋼構架布置如圖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

經第二步的荷載組合應用系統(tǒng)得出，該柱腳在標準組合、準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 不同目標組合下的柱腳荷載最大值

若組合后軸力出現負值，則在后續(xù)設計基礎時應特別注意。一般情況軸力組合值不會出現負值，因為地震作用是根據重力荷載計算，除非在極高烈度地震作用下，此時的基礎設計需要進行專門研究。

3.4 電算過程

在PKPM 軟件中建立基本的短柱模型，并將標準組合的荷載最大值按照恒載輸入結構設計模型中。在PKPM 計算軟件前處理時，可以選擇不考慮地震作用和風載計算進行計算，得出鍋爐柱腳短柱的受力及配筋結果。同時，經計算可知，地基基礎設計模塊中短柱的標準組合和準永久的數值即為按照第二步計算的荷載數值。而其基本組合的數值則約為1.30 倍的恒載(第二步中的標準組合的最大值），此時計算的基本組合的數值略小于第二步中的基本組合的最大值，因此，基本組合時的恒載系數可以取為1.35 或者反算系數，本例中的恒載系數可取為1.32 左右，設計人員可自行選擇保守與否。至此，鍋爐鋼柱腳基礎設計的荷載計算完成，可以進行第四步。

由于鍋爐短柱組合計算后的荷載一般較大，同時受到地質條件的制約，鍋爐基礎方案的選擇也是尤為重要。經眾多項目的經驗總結發(fā)現，對于土層比較均勻以及地基承載力特征值fak≥130 kPa 時，可采用獨立基礎或者筏板基礎，筏板基礎多用于鍋爐基礎與動設備基礎聯(lián)合時使用。若是fak＜130 kPa，則一般推薦為樁承臺或者樁筏基礎。本例根據地質資料，最終選擇的基礎方案為樁基。基樁豎向承載力特征值Ra為1 800 kN，水平承載力特征值為Rha為200 kN。通過計算，可知該柱腳下樁基數量為5 根(為豎向力控制而非水平力控制）。其中，根據JGJ 94—2008《建筑樁基技術規(guī)范》[4]5.2.1 條，該柱腳下樁基承載力計算結果如下：

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

式中，Nk為荷載效應標準組合軸心豎向力作用下，基樁或復合基樁的平均豎向力；Nkmax為荷載效應標準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配筋如圖3所示。

3.5 沉降計算

上述3.1～3.4 階段為該柱腳基礎的承載力驗算工作。后續(xù)則需要根據上述荷載計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，通過軟件計算結果可知，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，對于大型鍋爐基礎，基礎承載力設計要求與沉降計算的要求同等重要。此方法計算的沉降值遠遠大于基礎在準永久組合時的沉降值，若此方法中計算的沉降值及沉降差滿足規(guī)范要求，則在準永久組合時的沉降更是滿足規(guī)范的。因此，此方法計算的沉降相對保守，設計人員可根據實際情況酌情參考，亦可自行選取準永久組合時的荷載對鍋爐基礎的沉降進行更為精確的計算。

4 結語

源于鍋爐本體結構設計工作的特殊性，在設計工作中需要廠家和后續(xù)設計單位的高度協(xié)調，在上部鋼構架與基礎分開計算的模式下，怎么在滿足工藝、結構安全、經濟、適用的要求下，完成相關設計工作及確保后續(xù)鍋爐鋼構架的順利安裝，是值得各個單位思考的重要問題。本文從結構專業(yè)出發(fā)，在已完成的相關設計任務中歸納總結提出一種基礎設計的新方法，起到拋磚引玉的作用，希望為后續(xù)鍋爐鋼構架基礎設計提供參考和借鑒。