樁巖混合地基條件下的間接空冷塔結構有限元分析

陳良，劉志剛，聶恒寬，吳彩虹

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院工程有限公司，北京市 100120)

0 引言

雙曲線型間接空冷塔的地基、基礎及塔體上部結構是一個相互影響的整體［1］，其基礎直徑較大，對場地的承載能力及均勻性要求較高。神頭電廠2×600 MW燃煤發電機組采用間接空冷系統，共建有2座雙曲線型冷卻塔，冷卻塔均坐落在傾斜巖基上，場地整平后冷卻塔部分基礎坐落在巖基上，部分坐落在回填土上，回填土區域采用灌注樁處理。

巖基和樁基的存在使冷卻塔基礎存在巖性突變。進行冷卻塔設計時很少考慮基礎的不均勻性，難以量化該突變節點對冷卻塔環基、塔筒等結構的影響。本文以神頭電廠1號冷卻塔為例，采用有限元通用軟件ANSYS，模擬冷卻塔地基條件，經與假定均勻地基條件下的塔筒結構對比，量化分析地基巖性突變對冷卻塔基礎的影響，并給出具體的解決措施。

1 冷卻塔資料

冷卻塔塔頂設計標高173.0 m(相對標高)，喉部高度127.8 m，喉部半徑44.0 m;采用環板型基礎(簡稱環基)，基礎中心半徑71.66 m，寬8.8 m;X支柱共44對，截面尺寸為1 000 mm×1 600 mm。

根據巖土勘測結果，基巖的溫克爾系數為100 000 kN/m3;設計采用的基本風壓為0.63 kPa，B類場地［2］;塔內運行溫度為29.1℃，冬季塔外設計溫度為-30.5℃;計算時考慮了冷卻器等外部結構作用在塔體上的荷載。

地基處理采用灌注樁，樁徑800 mm，樁長為10～38 m，以灌注樁嵌入基巖為準。地基處理后，該冷卻塔部分坐落在天然巖基上，部分坐落在灌注樁上;中間過渡段基巖埋深較淺，采用毛石混凝土置換巖土進行處理。塔筒及支柱混凝土采用C45，環基混凝土采用C35;鋼筋采用HPB235、HRB335及HRB400。

2 冷卻塔模擬計算

為研究樁巖混合地基對冷卻塔的影響，本計算共分為2個部分，即分別計算該冷卻塔在均勻巖基和樁巖混合地基條件下的塔體各部分(重點是環基)內力及配筋等，并進行對比分析。

計算考慮的荷載主要有塔體自重［3］、風荷載［2］、塔筒內外溫差［3］以及冷卻三角等外部結構作用在塔體上的力;對于混合地基，應該考慮風載方向與樁基的相對位置，冷卻塔樁基布置在175.9°～6.14°方位，計算時考慮多個不利風向;對于均勻地基，只需要考慮1種來風方向即可。

ANSYS模型中，塔筒采用SHELL63單元模擬，X支柱及環基采用BEAM188單元模擬;基礎對冷卻塔的作用采用COMBIN14單元模擬;根據設計資料，灌注樁采用單樁建模方案，采用COMBIN14單元模型。

2.1 樁基的模擬

計算時考慮每根樁的豎向剛度及水平剛度，從而確定其對應的彈簧胡克系數［4-10］，計算結果如表1所示。其中:單樁的豎向胡克系數為

式中:ξN為樁身軸向壓力傳遞系數;h為樁的入土長度，m;E、A分別為樁身彈性模量及橫截面面積;C0為樁地面地基土豎向抗力系數;A0為單樁樁底壓力分布面積。

單樁的水平胡克系數為

表1 單樁彈簧系數計算結果Tab.1 Calculation results of single pile’s spring coefficient

式中:δMM為樁頂單位彎矩作用時樁頂的轉角;δHH為樁頂單位水平力作用時樁頂的水平位移;δMH為樁頂單位水平力作用時樁頂的轉角。

2.2 巖基的模擬

由于毛石混凝土剛度較大，范圍小，埋深淺，且直接與基巖接觸，故將其視為巖基。根據溫克爾系數及工程經驗，確定巖基彈簧單元的豎向胡克系數為22.42 ×108，水平胡克系數為14.80×108。

樁巖混合地基冷卻塔模型中，相鄰巖基彈簧單元間距2.045°，同等范圍內布置4.16根樁。樁基與巖基的豎向胡克系數之比為0.226，二者相差非常大，即灌注樁處理后仍存在地基巖性突變。

3 模擬結果分析

3.1 對塔筒局部穩定的影響

大型冷卻塔的局部穩定性是設計必須考慮的因素，雙曲線冷卻塔的局部穩定性按下式驗算

式中:KB為局部穩定性安全因子;σ1、σ2分別是考慮內吸力的環向與子午向壓力;σcr1、σcr2分別為環向與子午向臨界壓力［3］。

式中:h、r0分別為塔筒喉部壁厚與半徑;v為殼體混凝土泊松比;K1、K2為塔筒幾何參數。

圖1為該冷卻塔在假定的均勻巖基條件及樁巖混合地基條件下的局部穩定系數。樁巖混合地基對局部穩定影響不大，在最危險區域該影響小于1.5%。

圖1 塔筒局部穩定系數計算結果Fig.1 Calculation results of tower shell’s local stabilization coefficient

3.2 對環基位移的影響

圖2為自重作用下各支柱下環基的沉降結果，由圖2可知:(1)樁群末端(6.14°、175.9°)兩側的支柱基礎存在較大的位移差，最大位移差達5.3 mm;(2)相鄰支柱沉降差迅速變為0。

圖2 恒載作用下混合地基冷卻塔各支柱下環基沉降變形Fig.2 Settlement deformation of ring base below each pillar under mixed foundation under dead load

圖3為175.9°附近環基在自重作用下的位移結果。由圖3可知:地基突變對環基的水平位移影響較小，可不予考慮;本工程地基突變影響的范圍約20.46°(167.73°～188.19°)。

圖3 恒載作用下地基突變附近環基位移Fig.3 Deformation of ring base with mutations under dead load

由圖2、3可知:(1)對于環基，基礎巖性突變只影響該突變附近局部范圍內的環基;(2)基礎巖性突變對環基的沉降差影響較大;(3)基礎巖性突變影響范圍約±10.23°，其中主要集中在突變點±6°以內。

3.3 對環基配筋的影響

表2為某一方向風載作用下樁群末端附近的環基內力計算結果。受基礎巖性突變的影響，相應位置環基內力發生較大變化，如在工況I中，軸向拉力(即表中切向力)增大了近50%，豎向彎矩也增大了63%以上。經過計算，混合地基條件下此處環基側面配筋比均勻地基條件下增大約50%。

3.4 對塔筒配筋的影響

表3為假定均勻巖基條件下的塔筒配筋計算結果及本工程的實際配筋計算結果。由于塔筒內力數據較多，限于篇幅，本表只統計了每隔3層模板的配筋對比結果。由表3可看出，由于塔筒內側2個方向配筋大部分為構造配筋，因此地基突變對塔筒該方向配筋影響不大或基本沒影響;此外，地基突變對塔筒豎向外側配筋有一定的影響，但影響較小;另一方面，地基突變對環向外側配筋影響比較限制，這是因為受環基不均勻沉降的影響，塔筒相應位置兩側混凝土亦產生較大的豎向變形差，進而導致水平配筋的增大。

表2 地基突變處環基內力計算結果Tab.2 Calculation results of internal forces at ring mutation part

表3 塔筒配筋計算結果Tab.3 Calculation results of shell reinforcement mm2

4 結論

樁巖混合地基條件下，神頭電廠冷卻塔的地基存在巖性突變的情況;該巖性突變使得環基產生不均勻沉降差，不僅對一定區域內的環基內力存在影響，甚至影響到塔筒的內力分布及配筋;其中受影響最大的是環基。對于混合地基，應盡量減少地基的差異，同時應加大環基局部配筋;由于塔筒外壁環向配筋增大較大，必要時可分區域配筋，可將塔筒區分為樁基區域、巖基區域及過渡區域，以減少鋼筋量。采用樁巖混合方案，可解決神頭工程冷卻塔地基不均勻問題。數值分析揭示出地基突變引起塔體各部分的變化規律，對相似工程具有一定的參考意義。

［1］李輝.冷卻塔考慮地基-基礎-上部結構相互作用的地震反應分析［D］.西安:西安理工大學，2010.

［2］GB 50009—2001建筑結構荷載規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［3］DL/T 5339—2006火力發電廠水工設計規范［S］.北京:中國電力出版社，2006.

［4］JGJ 94—2008建筑樁基技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［5］崔亞平.冷卻塔不均勻沉降的應力分析［J］.山西建筑，2003，29(18):43-44.

［6］王慧君.基礎的局部沉陷對自然通風冷卻塔應力的影響［J］.力學與實踐，1994，16(3):29-31.

［7］武際可.大型冷卻塔結構分析的回顧與展望［J］.力學與實踐，1996，18(6):1-5.

［8］王研明，管仲國.大型冷卻塔樁基缺陷與補強對結構影響的分析［J］. 特種結構，2009(1):26-28.

［9］JGJ 79—2002建筑地基處理技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［10］GB 5007—2002建筑地基基礎設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.