大型鋼結構空冷塔樁基設計研究

摘" 要" 近年來，鋼結構空冷塔在國內快速發展。與傳統混凝土冷卻塔相比，鋼結構空冷塔整體重量輕，因此基礎的受力與設計也有一定的區別和特點。有必要針對鋼結構空冷塔的特點，對基礎進行專門的設計研究，剖析其受力特點、簡化基礎構造、提高基礎設計的經濟性。以某高度為189.5 m的大型直筒錐段型鋼結構空冷塔為例，采用上部結構與基礎協同的分析模型，對其樁基設計進行介紹，較為詳細地闡述了上部結構傳力特點、基礎設計的詳細構造及關鍵點，對各控制荷載工況下的基樁、環基受力特點進行了分析總結，可為今后同類型項目的設計提供參考。

收稿日期： 2023-05-16

* 聯系作者： 中文作者簡介：張 強，男，碩士研究生，主要從事空間結構設計與研究工作。E-mail： zhangqiang@cabrtech.com

關鍵詞" 鋼結構空冷塔， 冷卻塔， 樁基， 水平力

Design and Analysis of Pile Foundation for Large Steel Air Cooling Tower

ZHANG Qiang1，2，*" LI Jiawei3" WU Youbing3" WANG Shengui3" ZUO Wenwu3" ZHANG Hong3" YU Zhe4" CHENG Chunyang4

（1.National Engineering Research Center of Building Technology， Beijing 100013， China； 2.China Academy of Building Research， Beijing 100013， China； 3.Zhengning Power Plant， Huaneng Longdong Energy Co.， Ltd.， Qingyang 745000， China； 4.Shuangliang Eco-Energy Systems Co.， Ltd.， Jiangyin 214431， China）

Abstract" In recent years， air cooling towers have been rapidly developing in China. Compared with traditional concrete cooling towers， the steel towers have a lighter overall weight， so design of the foundation is different. It is necessary to conduct specialized design and research on the foundation based on the characteristics of steel air cooling towers， analyze the mechanical characteristics， simplify the detailing， and improve the economy. Taking a large steel cooling tower with a height of 189.5m as an example， adopting analysis model combined with upperstructure and foundation， this paper introduces the pile foundation design of steel cooling tower. Upperstructure reactions， foundation details and key points in design are discussed， and mechanical characteristics of the foundation pile and ring raft under various control load conditions are analyzed and summarized， which will be helpful to the relevant future projects and researches.

Keywords" steel air cooling tower， cooling tower， pile foundation， horizontal force

0" 引言

鋼結構冷卻塔的發展歷史較短，自1974年全球第一座鋼結構冷卻塔建成，距今僅50年；我國學者從21世紀起，才逐步開始鋼結構冷卻塔的研究工作。基于近些年的研究工作，以及火電項目的市場需求，近年來已有10余座空冷塔建成并投入使用［1］，但其基礎仍沿用于混凝土冷卻塔基礎形式，埋深較深，支撐墻及零米梁板的構造較復雜［2］，導致基礎造價較高。

鋼結構空冷塔，由于上部結構重量小，其重量僅為同等規模混凝土塔的1/10，基礎設計一般采用天然地基的環形基礎板形式即可滿足地基承載力要求，對于地基土質欠佳的情況，也可采用樁基礎。

綜上，有必要針對鋼結構空冷塔的特點，對基礎進行專門的設計研究，剖析其受力特點、簡化基礎構造、提高基礎設計的經濟性。本文結合某電廠項目，對大型鋼結構空冷塔樁基礎的受力特點及設計要點進行介紹，可作為今后同類型項目的設計提供參考。

1" 上部結構概述

1.1 空冷塔結構布置

華能正寧電廠空冷塔，為2×1 000 MW調峰煤電間接空冷塔，是隴東至山東±800千伏特高壓直流重點配套工程，是世界首座集主機冷卻塔、輔機冷卻塔、脫硫吸收塔、CCUS系統原煙道、煙囪于一體的“五塔合一”系統。

本項目鋼結構空冷塔，上部結構體系為直筒錐段型的帶4道加強環的空間單層網格體系，如圖1、圖2所示，采用三角形網格，豎向設18層，環向28格；圍護結構為內置于鋼結構內部的鋁蒙皮，與主體結構采用檁條相連接。塔頂蒙皮高190.5 m、直徑90 m，鋼結構桿件中心線高度189.5 m、塔頂直徑92 m、塔腳直徑127 m。錐段第4層設置展寬平臺，作為外部冷卻三角的頂部水平支撐點，冷卻三角頂部距地面高約39 m。

1.2 上部結構作用力

地基基礎設計時采用空冷塔主結構與基礎整體協同的分析模型，上部結構通過28個柱腳傳力至基礎。本節對上部結構的反力進行介紹，有助于理解基礎的受力特點。

1.2.1 空冷塔主結構柱腳反力

空冷塔結構設計考慮的工況為：恒荷載（D）、活荷載（L）、外風荷載（Wout）、內風荷載（Win）、升溫作用（Tw）、降溫作用（Td）、多遇地震作用（Ex）。控制基礎設計的作用力主要為豎向力、徑向水平力，各單工況下柱腳豎向反力分布、徑向水平力反力分布如圖3、圖4所示。由圖易知，恒荷載、外風荷載為基礎設計的主要控制荷載。

空冷塔主鋼結構自重及附加恒荷載合計約56 000 kN，平均每個柱腳對基礎的作用力為2 000 kN（向下）；由于錐段柱腳與水平面呈約74°，恒荷載作用下，柱腳對基礎的徑向水平力約660 kN（指向塔外）。

本項目50年一遇基本風壓0.35 kN/m2，外風荷載作用下，迎風面柱腳作用力為上拔力4 195 kN、徑向水平力1 456 kN（指向塔內）；側風面柱腳作用力為下壓力1 459 kN、徑向水平力502 kN（指向塔外）。

豎向力（上拔為正）

徑向力（向塔外為正）

1.2.2 環基上其他荷載

其他荷載折算為環基上的均布荷載作用，取值如下：

（1） 環基上覆土及路面，按恒荷載考慮為20 kN/m2；環基上冷卻三角及環管凈重，按恒荷載考慮為15 kN/m2。

（2） 環基上冷卻三角及環管中的水，按活荷載考慮為5 kN/m2。

2" 地基基礎設計

2.1 地基及試樁情況概述

根據地勘報告，場地地層主要為第四系黃土，如圖5所示，由地表往下主要為交錯分布的黃土與古土壤。場地地基土屬大厚度濕陷性黃土地基，地基承載力較低，地基濕陷等級為Ⅳ級，濕陷下限為L4層底。天然地基不能滿足承載力要求，因此采用樁基礎。

本項目采用樁基礎穿越全部濕陷性土層，進入S4古土壤層2 m，樁長約35 m。根據試樁報告，基樁樁徑800 mm，入土深度約35 m，進入S4層2.0 m，試樁考慮了樁周土（自重濕陷黃土）在浸水條件下的實際承載力，單樁豎向抗壓極限承載力為5 400 kN，單樁豎向抗拔極限承載力不小于1 650 kN，單樁水平承載力臨界荷載165 kN。

本項目地下水位埋深較深，對基礎設計無影響；季節性標準凍土深度為60～80 cm。

2.2 基礎布置及計算模型建立

根據規范要求，塔體基礎內力應按上部結構、基礎和地基整體分析計算，并宜考慮基礎與地基的變形協調［3］。因此，本項目采用SAP2000有限元分析軟件建立空冷塔主體結構與基礎結構的整體協同分析模型，如圖2所示，基礎模型顯示如圖6所示。

基礎局部平面及典型剖面如圖7、圖8所示。環基截面為6 m×0.8 m，內半徑62 m、外半徑68 m，外沿周長427 m，埋深1.8 m（板底標高-1.800 m）；環基下方均勻布置280根混凝土灌注樁（平均每墩下10根），樁徑φ800，樁長≥35 m；環基上均勻布置了28個高1 m的柱墩，柱墩截面尺寸為1.8 m×2.3 m，作為上部鋼結構空冷塔柱腳的支承柱；同時環形板上布置若干個高1 m的小柱墩，小柱墩截面尺寸為0.7 m×0.8 m和0.4 m×0.6 m兩種，用于空冷塔冷卻三角及其他附屬設備埋件的布置。

環基采用殼單元模擬，樁、柱墩采用梁單元進行模擬。

2.3 主要設計參數

2.3.1 樁側土彈簧

偏安全地，不考慮承臺底面、側面的抗豎向力、水平力作用，上部結構傳遞的豎向力及水平力全部由樁承擔。樁頂與環形板采用鉸接假定，樁側采用水平彈簧約束，根據樁彈簧計算的m值法，樁水平彈簧剛度取為

式中：樁側土水平抗力系數的比例系數=11 MN/m4；為樁身計算寬度；為樁單元長度取為；為計算深度。

根據《建筑樁基礎技術規范》（JGJ 94—2008）表5.7.5注，當水平荷載為長期或經常出現的荷載時，m應乘以0.4。

2.3.2 基礎溫度作用

基礎計算時，綜合空冷塔工作溫度、當地環境溫度、基礎埋深、混凝土收縮徐變等，考慮基礎環板等效升溫工況+7.2 ℃、等效降溫工況-5 ℃。

2.3.3 基礎裂縫控制

混凝土材料采用C35，鋼筋HRB400。環境類別為二b類，基礎環板、樁保護層厚度取50 mm，裂縫控制不超過0.2 mm。

3" 樁受力特點研究

本工程基樁受力與常規項目不同，水平剪力為控制作用。一方面，由于上部結構錐段結構柱腳與水平地面有傾角，導致樁在上部結構豎向荷載作用下即會受到水平剪力作用；另一方面，風荷載水平荷載作用下，也會導致基樁的水平剪力效應。

3.1 樁豎向力

按基礎實際布置建立的有限元模型，能很好地模擬上部結構與基礎的傳力，充分考慮荷載不均勻分布、偏心等作用。

根據有限元分析結果，恒+活荷載下的單樁豎向力分布如圖9所示，由圖可知：

（1） 外排、中排、內排樁的豎向力均在上部結構柱腳對應的基礎柱墩正下方最大，分別為882 kN、1 143 kN、886 kN。中間樁位于柱墩正下方，受力最為直接。

（2） 位于非柱墩下的樁，受豎向力較小，軸力為430～588 kN。

恒+風荷載下的單樁豎向力分布如圖10、圖11所示，由圖可知：

（1） 考慮風荷載作用時，14～16號柱墩位置的外排樁出現拔力，最大拔力為215.6 kN；

（2） 考慮風荷載作用時，側風面的樁出現最大壓力1 493 kN。

由以上分析可知，在標準組合下，基樁最大壓力為1 493 kN，小于樁的豎向抗壓承載力特征值2 700 kN，滿足規范要求；基樁最大拔力為215.6 kN，拔力很小，滿足規范要求。

3.2 樁水平力

空冷塔各荷載工況對樁產生水平力剪力作用，樁剪力以徑向水平剪力為主，由于環基的剛性作用，外排、中排、內排樁受剪力大小基本相同，以中排樁為例，樁徑向水平剪力沿空冷塔一周的分布規律如圖12所示。由圖可知，在外風、升溫、降溫工況作用下，樁的徑向水平剪力較大，其它荷載工況下受力較小；外風荷載作用下，正迎風面位置處，樁受水平向塔心的剪力187.2 kN，側風面位置處，樁受水平向塔外的剪力93.8 kN；升溫作用下，樁受水平向塔外的剪力70.9 kN；降溫作用下，樁受水平向塔心的剪力114 kN。溫度工況對樁的剪力影響，主要由環基的溫度作用引起。

如圖13所示，考慮各工況的標準組合后，恒+外風+內風+降溫組合下，空冷塔正迎風面位置處的樁受指向塔心的水平剪力最大，剪力值為293.6 kN，受剪力最大樁在最不利組合下的變形、剪力如圖14所示，樁頂最大變形7.6 mm；恒+外風+升溫組合下，空冷塔側風面位置處的樁受指向塔外的水平剪力最大，剪力值為182.3 kN。

本項目采用《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）式5.7.2-2，考慮樁身配筋率不小于0.65%、樁頂允許水平位移10 mm，進行樁的水平承載力計算，并考慮群樁效應后，基樁的水平承載力特征值為393 kN。因此，本項目樁水平受力滿足規范要求。

4" 環基受力特點研究

環基截面6.0 m×0.8 m，控制設計內力主要為環向拉力、主向彎矩（繞徑向彎矩），環基整體截面在各工況下的內力如圖15、圖16所示。

4.1 環基全截面環向拉力

環基環向拉力主要由恒荷載、外風荷載、降溫作用產生。恒荷載作用下，由于錐段的斜面作用，產生環基拉力效應1 753 kN；外風荷載作用下，環基正迎風面產生較小的壓力作用，背風面產生拉力效應約897 kN；降溫作用下，環基環向拉力4 766 kN。因此，環基的降溫作用，是產生環基拉力的最主要因素，占環基總拉力效應的64%左右。

4.2 環基全截面主向彎矩

環基主向彎矩，主要由恒荷載、外風荷載產生。恒荷載作用下，環基在柱墩處產生正彎矩1 114 kN·m （假定環基底部受拉為正），跨間負彎矩-521 kN·m；外風荷載作用下，正迎風面柱腳為上拔力，相應環基在柱墩位置產生負彎矩-2 627 kN·m，跨間負彎矩693 kN·m。

環基截面按上述方式進行整體內力的描述，有助于理解各單工況對環基內力效應的影響。同時，設計時也應關注環基單元內力對設計的影響。

4.3 環基殼單元內力

圖17為環基單元在恒荷載下的環向軸力云圖（云圖是殼單元每延米的軸力值），環基內、外邊緣的拉力值有一定差異，柱墩位置處為環基外邊緣受拉較大，跨間位置處為環基內邊緣受拉較大。圖18為環基單元在恒荷載下的主向彎矩云圖（云圖是殼單元每延米的彎矩值），柱墩位置處單元彎矩約70 kN·m/m，板底受拉；跨間位置處彎矩約-80 kN·m/m，板頂受拉。

圖19為環基單元在外風荷載下的環向軸力云圖（云圖是殼單元每延米的軸力值），正迎風面位置處環基外側受壓、內側受拉；側風面位置處環基外側受拉、內側受壓；背風面拉力作用較均勻，約140 kN/m。圖20為環基單元在外風荷載下的主向彎矩云圖（云圖是殼單元每延米的彎矩值），正迎風面位置處受彎矩作用較為明顯，柱墩位置處單元彎矩約-450 kN·m/m，板頂受拉；正迎風面跨間位置處彎矩約130 kN·m/m，板底受拉；側風面位置處彎矩效應與正迎風面位置相反，但彎矩值較小。

5" 結" 論

鋼結構空冷塔采用樁基礎時，樁受較大水平力作用，在結構設計時應予以關注。根據本文的分析，鋼結構空冷塔的樁基受力特點及設計要點如下：

（1） 空冷塔上部結構效應以恒荷載、風荷載為主，該兩種荷載也是進行基礎設計的重要荷載作用；同時環基的溫度效應（含混凝土收縮的等效溫度），也是進行基礎設計的重要荷載作用。

（2） 空冷塔上部結構重量輕，對基礎的承載力要求也相應較低，采用樁基礎時，單樁豎向力小，承載力容易滿足設計要求。

（3） 樁在各種效應作用下，水平力作用明顯，樁配筋設計時，樁頂一定范圍內應考慮彎矩、剪力進行縱筋與箍筋的配置。

（4） 環基由于整體成環，并受到樁的水平約束作用，受混凝土收縮、溫度變化作用明顯，導致產生較大的環向拉力效應；建議采取減小混凝土收縮效應的措施，如采用跳倉法施工、使用添加劑等。

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