高媛媛

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設計院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

一般項目的煙囪可參照國標圖集05G212直接選用，玻璃廠項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；②保證煙囪的負壓；③避免煙流下洗現(xiàn)象；④不能小于地方環(huán)境保護行政主管部門根據(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圖集的范圍（煙囪高度≤100 m），故玻璃廠項目中的煙囪需要重新設計。參照以往的設計經(jīng)驗，高煙囪的基礎彎矩要大于基礎承受的豎向力幾倍至十幾倍之多，煙囪的基礎部分設計就顯得尤為重要。常見的煙囪基礎形式有：剛性基礎、板式基礎、殼體基礎和樁基礎等。當工程項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：①震陷性、濕陷性、膨脹性、凍脹性或侵蝕性等不良土質；②上覆土層為強度低、壓縮性高的軟弱土層，不能滿足強度和變形要求時；③在抗震設防地區(qū)地基持力層范圍內(nèi)有可液化土層時。

1 煙囪樁基礎豎向承載力計算

1.1 煙囪樁基礎荷載效應標準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；

Fk——相應于荷載效應標準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準值；

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——相應于荷載效應標準組合時，第i根樁的豎向力（kN）；

Fk——相應于荷載效應標準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準值；

n——樁數(shù)；

Mk——相應于荷載效應標準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——相應于荷載效應標準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、懸臂的高聳結構，在風荷載作用、地震作用、溫度作用及由地震作用、風荷載、日照和基礎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——相應于荷載效應標準組合時作用于第i基樁的水平力（kN）；

Hk——相應于荷載效應標準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、材料強度、樁側的土質條件、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該通過現(xiàn)場單樁水平承載力試驗確定，最后對工程樁進行靜載試驗檢測是否滿足設計要求。

1.2 煙囪樁基礎地震作用和荷載效應標準組合豎向承載力

煙囪樁基礎地震作用和荷載效應標準組合豎向承載力計算應滿足：

①軸心豎向力計算公式：

式中：NEk——地震作用效應和荷載效應標準組合下，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——地震作用效應和荷載效應標準組合下，樁頂最大豎向力（kN）；

Ra——單樁承載力特征值（kN）。煙囪樁基礎設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 煙囪樁基礎設計中樁的布置

煙囪樁基礎設計中環(huán)形承臺布樁和圓形承臺布樁示意圖見圖1和圖2。

（1）樁的平面布置應以承臺平面中心點為圓心，呈放射狀布置，并應遵守內(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。

在總樁數(shù)n和總圈數(shù)m確定的情況下，布樁時最外側圓周半徑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?。?，對結構的整體穩(wěn)定越有利；離承臺圓心較近的內(nèi)側圓環(huán)上的樁，可提供的抵抗矩的值明顯低于離承臺圓心較遠的外側圓環(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；結合煙囪的結構受力特點，布樁時可適當減小外側圓周上的布樁間距，達到密布的目的；增大內(nèi)側圓周上的布樁間距，達到疏布的目的。

（2）樁布置的總圈數(shù)不宜少于兩道。當單圈布樁時，群樁的整體性較差。樁布置的總圈數(shù)也不宜過多，否則會增加基礎承臺的面積，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。由于樁的總圈數(shù)根據(jù)樁間距及單樁承載力特征值來確定，所以在設計時，可通過調整單樁承載力特征值和樁間距來調整樁的圈數(shù)，以達到較為合理的布樁形式。

（3）當單樁承載力特征值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，所以樁基礎承臺此時優(yōu)先考慮設計成環(huán)狀。

（4）如果技術條件不允許，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，所以樁基礎承臺需要按圓形設計。

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

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

3 煙囪樁基礎設計中承臺的埋深

煙囪基礎的埋置深度取決于所建項目的工程地質條件及煙囪筒身的高度，煙囪基礎的埋置深度應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能量，減小地震及風荷載作用對上部結構的破壞，保證結構的整體穩(wěn)定性。由于國家排放標準的提高，現(xiàn)階段玻璃廠項目超過100 m的鋼筋混凝土煙囪很常見，但由于國家標準圖集更新相對滯后，超過100 m的鋼筋混凝土煙囪不在國家標準圖集范圍內(nèi)，煙囪基礎的埋置深度在《煙囪設計規(guī)范》《高聳結構設計規(guī)范》《構筑物抗震規(guī)范》等相關規(guī)范中也沒有明確的規(guī)定，參照煙囪國家標準圖集（05G212）中的相關數(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 煙囪國家標準圖集（05G212）中基礎的埋置深度d

依照煙囪國家標準圖集（05G212）中的相關數(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的最小埋置深度d，選取基礎的最小埋置深度。

表2 鋼筋混凝土煙囪基礎的最小埋置深度d

4 煙囪樁基礎設計中承臺的設計

煙囪的樁基礎承臺應具有足夠大的剛度及強度，同時應滿足建筑樁基技術規(guī)范的相關要求：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)調工作。

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

（2）承臺配筋應計算確定；

（3）當承臺底板的厚度＞2000 mm時，宜在板厚中間部位設置溫度應力鋼筋，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)，基礎的溫度應力可大大降低，所以煙囪的樁基礎承臺宜優(yōu)先考慮環(huán)形。

5 煙囪樁基礎設計中樁型選擇

在煙囪樁基礎設計中，可采用預制鋼筋混凝土樁、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綜合計入地質情況、施工條件、施工工藝、建筑場地環(huán)境等因素，并應充分利用各樁型特點以滿足安全、經(jīng)濟及工期等方面的要求。

6 煙囪樁基礎設計實例

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；中間設置隔煙墻，自重約為1400 kN；承臺底標高-5.0 m，煙囪筒壁根部外側半徑R0＝6.110 m，煙囪筒壁傳給基礎的內(nèi)力組合值詳見電算結果表3。

表3 煙囪根部內(nèi)力電算結果

方案一：采用預應力實心方樁（邊長為450 mm），樁間距1.8 m，單樁承載力特征值750 kN；基礎承臺半徑R1＝9.5 m，基礎及上覆土的重度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)標準組合中的“組合1”：

滿足＜1.2Ra＝900 kN

樁設計可不考慮抗拔。

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，基礎承臺外側半徑R1＝9.5 m，基礎承臺內(nèi)側半徑R2＝3.4 m，基礎及上覆土的重度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)標準組合中的“組合1”：

樁設計可不考慮抗拔。

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 結語

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