高媛媛

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

一般項(xiàng)目的煙囪可參照國標(biāo)圖集05G212直接選用，玻璃廠項(xiàng)目中的煙囪因其最終高度需要綜合以下幾個要素考慮：①保證地面絕對最大濃度不超標(biāo)；②保證煙囪的負(fù)壓；③避免煙流下洗現(xiàn)象；④不能小于地方環(huán)境保護(hù)行政主管部門根據(jù)具體情況規(guī)定的煙囪高度最低限值；最終確定的高度一般會超出國標(biāo)圖集的范圍（煙囪高度≤100 m），故玻璃廠項(xiàng)目中的煙囪需要重新設(shè)計。參照以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，高煙囪的基礎(chǔ)彎矩要大于基礎(chǔ)承受的豎向力幾倍至十幾倍之多，煙囪的基礎(chǔ)部分設(shè)計就顯得尤為重要。常見的煙囪基礎(chǔ)形式有：剛性基礎(chǔ)、板式基礎(chǔ)、殼體基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)等。當(dāng)工程項(xiàng)目所在場地的地基存在下列情況之一宜優(yōu)先考慮采用樁基礎(chǔ)：①震陷性、濕陷性、膨脹性、凍脹性或侵蝕性等不良土質(zhì)；②上覆土層為強(qiáng)度低、壓縮性高的軟弱土層，不能滿足強(qiáng)度和變形要求時；③在抗震設(shè)防地區(qū)地基持力層范圍內(nèi)有可液化土層時。

1 煙囪樁基礎(chǔ)豎向承載力計算

1.1 煙囪樁基礎(chǔ)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合豎向及水平向承載力

①軸心豎向力計算公式：

式中：Nk——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；

Fk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時作用于樁基承臺頂面的豎向力（kN）；

Gk——樁基承臺及承臺上土自重之和的標(biāo)準(zhǔn)值；

n——樁數(shù)；

Ra——單樁承載力特征值（kN）。

②偏心荷載作用，以承臺中心對稱布置樁時的計算公式：

式中：Nik——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時，第i根樁的豎向力（kN）；

Fk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時作用于樁基承臺頂面的豎向力（kN）；

Gk——樁基承臺及承臺上土自重之和的標(biāo)準(zhǔn)值；

n——樁數(shù)；

Mk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時作用于樁基承臺底面的彎矩值（kN·m）；

ri——第i根樁所在圓的半徑（m）；j——第j根樁 ；

rj——第j根樁所在圓的半徑（m）；Nkmax——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下，樁頂最大豎向力（kN）；

Ra——單樁承載力特征值（kN）。煙囪屬于高柔、懸臂的高聳結(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載作用、地震作用、溫度作用及由地震作用、風(fēng)荷載、日照和基礎(chǔ)傾斜引起的附加彎矩作用下，計算得到的煙囪根部的彎矩值一般較大，因此，偏心荷載作用一般起控制作用。

③水平力作用時的公式：

式中：Hik——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時作用于第i基樁的水平力（kN）；

Hk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時作用于樁基承臺底面的水平力（kN）；

n——樁數(shù)；

Rh——單樁水平承載力特征值（kN）。影響單樁水平承載力特征值的因素包括樁身的假面抗彎剛度、材料強(qiáng)度、樁側(cè)的土質(zhì)條件、樁的入土深度、樁頂?shù)募s束條件等，單樁水平承載力的大小應(yīng)該通過現(xiàn)場單樁水平承載力試驗(yàn)確定，最后對工程樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)檢測是否滿足設(shè)計要求。

1.2 煙囪樁基礎(chǔ)地震作用和荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合豎向承載力

煙囪樁基礎(chǔ)地震作用和荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合豎向承載力計算應(yīng)滿足：

①軸心豎向力計算公式：

式中：NEk——地震作用效應(yīng)和荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，樁頂平均豎向力（kN）；

Ra——單樁承載力特征值（kN）。②偏心荷載作用，以圓形承臺中心對稱布置樁時的計算公式：

（5）

式中：NEkmax——地震作用效應(yīng)和荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，樁頂最大豎向力（kN）；

Ra——單樁承載力特征值（kN）。煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計中一般不考慮樁基受拉，在最不利荷載組合內(nèi)力條件下一般也不允許樁承受拔力，目的是提供足夠的安全儲備。

2 煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計中樁的布置

煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計中環(huán)形承臺布樁和圓形承臺布樁示意圖見圖1和圖2。

（1）樁的平面布置應(yīng)以承臺平面中心點(diǎn)為圓心，呈放射狀布置，并應(yīng)遵守內(nèi)疏外密的原則，且優(yōu)先考慮對稱布置在煙囪環(huán)狀筒壁的兩側(cè)。

在總樁數(shù)n和總?cè)?shù)m確定的情況下，布樁時最外側(cè)圓周半徑ri越大，在滿足樁間距要求的情況下布樁數(shù)量越多，可提供的抵抗矩越大（反之可提供的抵抗矩越小），對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定越有利；離承臺圓心較近的內(nèi)側(cè)圓環(huán)上的樁，可提供的抵抗矩的值明顯低于離承臺圓心較遠(yuǎn)的外側(cè)圓環(huán)上的樁的抵抗矩值；離承臺圓心較近的樁，以提供豎向承載力為主，抵抗彎矩的作用次之；結(jié)合煙囪的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，布樁時可適當(dāng)減小外側(cè)圓周上的布樁間距，達(dá)到密布的目的；增大內(nèi)側(cè)圓周上的布樁間距，達(dá)到疏布的目的。

（2）樁布置的總?cè)?shù)不宜少于兩道。當(dāng)單圈布樁時，群樁的整體性較差。樁布置的總?cè)?shù)也不宜過多，否則會增加基礎(chǔ)承臺的面積，增加鋼筋用量。布樁時，每道圓環(huán)上的總樁數(shù)宜為偶數(shù)或4的倍數(shù)，這樣樁的排布比較整齊均勻。由于樁的總?cè)?shù)根據(jù)樁間距及單樁承載力特征值來確定，所以在設(shè)計時，可通過調(diào)整單樁承載力特征值和樁間距來調(diào)整樁的圈數(shù)，以達(dá)到較為合理的布樁形式。

（3）當(dāng)單樁承載力特征值Ra較高時，布置較少的樁即可滿足豎向軸心荷載和偏心荷載的樁基承載力計算，所以樁基礎(chǔ)承臺此時優(yōu)先考慮設(shè)計成環(huán)狀。

（4）如果技術(shù)條件不允許，不能通過改變樁型或加大樁長及增大樁直徑等來提高單樁承載力特征值（即單樁承載力特征值Ra較低），為滿足承載力計算需要布置較多的樁，此時，考慮環(huán)形承臺布樁則可造成樁間距不滿足規(guī)范要求的最小樁間距要求，所以樁基礎(chǔ)承臺需要按圓形設(shè)計。

（5）當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，為避免煙囪內(nèi)部進(jìn)水，宜采用圓形樁基礎(chǔ)。

（6）樁間距需滿足JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中樁的最小間距要求，最大樁間距應(yīng)控制在6倍樁徑的范圍內(nèi)，以滿足群樁的整體性要求。

3 煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計中承臺的埋深

煙囪基礎(chǔ)的埋置深度取決于所建項(xiàng)目的工程地質(zhì)條件及煙囪筒身的高度，煙囪基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)該控制在一個合理的范圍內(nèi)，其主要目的是有利于吸收地震能量和風(fēng)能量，減小地震及風(fēng)荷載作用對上部結(jié)構(gòu)的破壞，保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。由于國家排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，現(xiàn)階段玻璃廠項(xiàng)目超過100 m的鋼筋混凝土煙囪很常見，但由于國家標(biāo)準(zhǔn)圖集更新相對滯后，超過100 m的鋼筋混凝土煙囪不在國家標(biāo)準(zhǔn)圖集范圍內(nèi)，煙囪基礎(chǔ)的埋置深度在《煙囪設(shè)計規(guī)范》《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》《構(gòu)筑物抗震規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范中也沒有明確的規(guī)定，參照煙囪國家標(biāo)準(zhǔn)圖集（05G212）中的相關(guān)數(shù)據(jù)（表1）可知，鋼筋混凝土煙囪的深高比隨煙囪高度增加逐漸減小。

表1 煙囪國家標(biāo)準(zhǔn)圖集（05G212）中基礎(chǔ)的埋置深度d

依照煙囪國家標(biāo)準(zhǔn)圖集（05G212）中的相關(guān)數(shù)據(jù)，超過100 m的鋼筋混凝土煙囪，其深高比一般建議控制在1/25～1/35，參照表2鋼筋混凝土煙囪基礎(chǔ)的最小埋置深度d，選取基礎(chǔ)的最小埋置深度。

表2 鋼筋混凝土煙囪基礎(chǔ)的最小埋置深度d

4 煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計中承臺的設(shè)計

煙囪的樁基礎(chǔ)承臺應(yīng)具有足夠大的剛度及強(qiáng)度，同時應(yīng)滿足建筑樁基技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求：如保證中等直徑的樁頂嵌入承臺內(nèi)的長度≮50 mm、大直徑樁（樁直徑≥800 mm）≮100 mm，樁頂縱向主筋錨入承臺的最小錨入長度≮35d（d為鋼筋直徑）等，以便使各樁通過承臺連成整體，可以通過承臺把煙囪筒壁荷載傳遞給各樁，以保證群樁的協(xié)調(diào)工作。

（1）承臺外形尺寸宜滿足《煙囪設(shè)計規(guī)范》6.5.1板式基礎(chǔ)合理外形尺寸要求；

（2）承臺配筋應(yīng)計算確定；

（3）當(dāng)承臺底板的厚度＞2000 mm時，宜在板厚中間部位設(shè)置溫度應(yīng)力鋼筋，減少大體積混凝土溫度收縮的影響，并提高底板的抗剪承載力。

（4）相較于圓形承臺，環(huán)形承臺混凝土用量降低、鋼筋用量減少，可以有效降低造價。 同時由于環(huán)形承臺規(guī)避了煙囪中部的高溫區(qū)，基礎(chǔ)的溫度應(yīng)力可大大降低，所以煙囪的樁基礎(chǔ)承臺宜優(yōu)先考慮環(huán)形。

5 煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計中樁型選擇

在煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計中，可采用預(yù)制鋼筋混凝土樁、混凝土灌注樁和鋼樁。樁型、樁的橫斷面尺寸及樁端持力層的選擇應(yīng)綜合計入地質(zhì)情況、施工條件、施工工藝、建筑場地環(huán)境等因素，并應(yīng)充分利用各樁型特點(diǎn)以滿足安全、經(jīng)濟(jì)及工期等方面的要求。

6 煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計實(shí)例

已知條件：本場地有大面積平均厚度約15 m的填土；煙囪總高度120 m；中間設(shè)置隔煙墻，自重約為1400 kN；承臺底標(biāo)高-5.0 m，煙囪筒壁根部外側(cè)半徑R0＝6.110 m，煙囪筒壁傳給基礎(chǔ)的內(nèi)力組合值詳見電算結(jié)果表3。

表3 煙囪根部內(nèi)力電算結(jié)果

方案一：采用預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁（邊長為450 mm），樁間距1.8 m，單樁承載力特征值750 kN；基礎(chǔ)承臺半徑R1＝9.5 m，基礎(chǔ)及上覆土的重度gm＝22 kN/m2，采用圓形承臺布樁。方案一圓形承臺布樁示意圖見圖3。

①布樁：

合計：共布樁n＝100根，m＝5

②基礎(chǔ)及上覆土自重：

③隔煙墻重：約為1400 kN④承載力計算：

選用正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合中的“組合1”：

滿足＜1.2Ra＝900 kN

樁設(shè)計可不考慮抗拔。

方案二：采用直徑為800 mm的灌注樁，樁間距2.4 m，單樁承載力特征值可提高到1250 kN；采用環(huán)形承臺布樁，基礎(chǔ)承臺外側(cè)半徑R1＝9.5 m，基礎(chǔ)承臺內(nèi)側(cè)半徑R2＝3.4 m，基礎(chǔ)及上覆土的重度gm＝22 kN/m2。方案二環(huán)形承臺布樁示意圖見圖4。

①布樁：

③隔煙墻重：約為1400 kN

④承載力計算：

選用正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合中的“組合1”：

樁設(shè)計可不考慮抗拔。

表4 圓形與環(huán)形樁基承臺用量

通過兩個方案的比較可知：樁基礎(chǔ)環(huán)形承臺混凝土用量較圓形承臺可減少約13%，布樁總數(shù)減少約50%，造價降低明顯。

7 結(jié)語

在玻璃廠煙囪樁設(shè)計中，其基礎(chǔ)部分設(shè)計尤為重要。在滿足安全、經(jīng)濟(jì)及工期等方面的要求下，通過設(shè)計實(shí)例分析比較了樁基礎(chǔ)圓形和環(huán)形布樁的受力合理性和建設(shè)經(jīng)濟(jì)性的異同，為以后玻璃廠項(xiàng)目中的煙囪基礎(chǔ)設(shè)計提供參考和借鑒。