高媛媛

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

0 引言

一般項(xiàng)目的煙囪可參照國(guó)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(gè)要素考慮：①保證地面絕對(duì)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(huì)超出國(guó)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(jì)。參照以往的設(shè)計(jì)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(jì)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(chǎng)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(shí)；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(shí)。

1 煙囪樁基礎(chǔ)豎向承載力計(jì)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(jì)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(shí)作用于樁基承臺(tái)頂面的豎向力（kN）；

Gk——樁基承臺(tái)及承臺(tái)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(tái)中心對(duì)稱布置樁時(shí)的計(jì)算公式：

式中：Nik——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，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(shí)作用于樁基承臺(tái)頂面的豎向力（kN）；

Gk——樁基承臺(tái)及承臺(tái)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(shí)作用于樁基承臺(tái)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(jì)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(shí)的公式：

式中：Hik——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)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(shí)作用于樁基承臺(tái)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(chǎng)單樁水平承載力試驗(yàn)確定，最后對(duì)工程樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)檢測(cè)是否滿足設(shè)計(jì)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(jì)算應(yīng)滿足：

①軸心豎向力計(jì)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(tái)中心對(duì)稱布置樁時(shí)的計(jì)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(jì)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(chǔ)備。

2 煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中樁的布置

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

（1）樁的平面布置應(yīng)以承臺(tái)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(duì)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(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定越有利；離承臺(tái)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(tái)圓心較遠(yuǎn)的外側(cè)圓環(huán)上的樁的抵抗矩值；離承臺(tái)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(shí)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(shí)，群樁的整體性較差。樁布置的總?cè)?shù)也不宜過多，否則會(huì)增加基礎(chǔ)承臺(tái)的面積，增加鋼筋用量。布樁時(shí)，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(lái)確定，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，可通過調(diào)整單樁承載力特征值和樁間距來(lái)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(shí)，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(jì)算，所以樁基礎(chǔ)承臺(tái)此時(shí)優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)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(zhǎng)及增大樁直徑等來(lái)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(jì)算需要布置較多的樁，此時(shí)，考慮環(huán)形承臺(tái)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(tái)需要按圓形設(shè)計(jì)。

（5）當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，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(jì)中承臺(tái)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(gè)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(duì)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(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集更新相對(duì)滯后，超過100 m的鋼筋混凝土煙囪不在國(guó)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(jì)規(guī)范》《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集（05G212）中基礎(chǔ)的埋置深度d

依照煙囪國(guó)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(jì)中承臺(tái)的設(shè)計(jì)

煙囪的樁基礎(chǔ)承臺(tái)應(yīng)具有足夠大的剛度及強(qiáng)度，同時(shí)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(tái)內(nèi)的長(zhǎng)度≮50 mm、大直徑樁（樁直徑≥800 mm）≮100 mm，樁頂縱向主筋錨入承臺(tái)的最小錨入長(zhǎng)度≮35d（d為鋼筋直徑）等，以便使各樁通過承臺(tái)連成整體，可以通過承臺(tái)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(tái)外形尺寸宜滿足《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》6.5.1板式基礎(chǔ)合理外形尺寸要求；

（2）承臺(tái)配筋應(yīng)計(jì)算確定；

（3）當(dāng)承臺(tái)底板的厚度＞2000 mm時(shí)，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(tái)，環(huán)形承臺(tái)混凝土用量降低、鋼筋用量減少，可以有效降低造價(jià)。 同時(shí)由于環(huán)形承臺(tái)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(tái)宜優(yōu)先考慮環(huán)形。

5 煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中樁型選擇

在煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jì)入地質(zhì)情況、施工條件、施工工藝、建筑場(chǎng)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(jì)實(shí)例

已知條件：本場(chǎng)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(tái)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?jī)?nèi)力電算結(jié)果

方案一：采用預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁（邊長(zhǎng)為450 mm），樁間距1.8 m，單樁承載力特征值750 kN；基礎(chǔ)承臺(tái)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(tái)布樁。方案一圓形承臺(tái)布樁示意圖見圖3。

①布樁：

合計(jì)：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(jì)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(jì)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(tái)布樁，基礎(chǔ)承臺(tái)外側(cè)半徑R1＝9.5 m，基礎(chǔ)承臺(tái)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(tái)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(jì)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(jì)可不考慮抗拔。

表4 圓形與環(huán)形樁基承臺(tái)用量

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

7 結(jié)語(yǔ)

在玻璃廠煙囪樁設(shè)計(jì)中，其基礎(chǔ)部分設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)提供參考和借鑒。