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        玻璃廠煙囪樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

        2022-10-25 02:42:24高媛媛
        玻璃 2022年10期
        關(guān)鍵詞:單樁煙囪樁基礎(chǔ)

        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。

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