小型汽輪發電機基礎設計要點

周 禮

(永清環保股份有限公司，湖南長沙 410005)

隨著國家節能減排政策的不斷深入落實，各類余熱發電、垃圾發電、生物質發電、天然氣發電等小功率的汽輪發電機組日益增多，小型汽輪發電機基礎成為人們關注的重要工程結構。結合筆者多年的工程實踐經驗，系統總結了小型汽輪發電機基礎設計要點，以供設計人員參考。小型汽輪發電機基礎一般采用現澆框架式基礎，其組成主要包括頂板、框架柱、基礎底板(采用樁基時為伐板)、風道板。

1 頂板設計

小型汽輪發電機基礎頂板一般由6根柱支撐(單跨三榀)，由于各方向上柱距接近且柱距較小，頂板一般設計成無梁平板結構形式(各柱間設暗梁)，方便施工及螺栓安裝。頂板厚度一般按滿足質量比和剛度來確定，可取最大柱跨的1/6～1/10，且不應小于柱截面的邊長。頂板的外形和受力應簡單，盡量采用外形規則的矩形或梯形截面，并宜避免偏心荷載。

頂板的挑臺應做成實腹式，其懸出長度不宜大于1.5 m，懸臂支座處的截面高度，不應小于懸出長度0.75倍。頂板四周應留有變形縫與其他結構隔開。汽機底座邊緣至頂板邊緣的距離不宜小于100 mm。在汽機底座下應預留二次灌漿層，其厚度不宜小于25 mm。二次灌漿層應在設備安裝就位并初調后，用微膨脹混凝土或抗收縮高強灌漿料填充密實，且與混凝土基礎面結合。基礎頂面的二次灌漿層厚度大于50 mm時，可在基礎頂面預留直徑8 mm～10 mm、間距200 mm～300 mm的插筋，以保證基礎混凝土與二次灌漿層結合牢固。基礎頂面四周邊緣及溝道邊，一般可設置50 mm～75 mm的角鋼保護，以防止邊緣損壞。

2 框架柱設計

柱子一般采用矩形截面，由于柱剛度小可降低基礎的基本頻率，改善基礎的動力特性，因此在滿足強度和穩定性要求的前提下宜適當減小柱的剛度。適當調整中間榀柱子的位置可明顯改善基礎的動力特性，遇汽輪機下方預留大洞時，中間榀柱間可不設拉結暗梁。柱子截面剛度EA宜與其上荷載成相同比例值，以使柱壓縮變形相近。柱子的長細比(L0/b)不宜大于14，其中，L0為柱計算長度，按GB 50010-2010表6.2.20-2中的現澆樓蓋底層柱確定;b為矩形截面的短邊尺寸。柱截面高度尺寸參考值見表1。

表1 柱截面高度尺寸參考值

柱主筋在底板內的錨固:當底板厚度不大于1.2 m時，柱主筋應全部伸至底板底部鋼筋網上;當底板厚度大于1.2 m時，柱主筋可只將一半的柱主筋伸至底板底部鋼筋網上，另一半在底板內達到直線錨固長度即可。柱主筋在頂板內的錨固:由于頂板一般較厚，大于鋼筋的錨固長度，柱主筋可直線錨入頂板內，鋼筋伸至頂板頂。直線錨固可避免鋼筋過于密集，便于混凝土振搗密實。

汽輪發電機基礎施工時，可設置2道～3道施工縫，各縫可設在頂板底、柱腳、地坪(當基礎埋深較深時)。施工縫處理方法:預留φ8@200的胡子鋼筋，長600 mm，插入300 mm;澆灌前應鑿毛混凝土表面，濕潤清掃干凈后，坐一層摻有膠結劑的水泥凈漿。

3 基礎底板設計

基組的總重心與基礎底面形心宜位于同一豎線上，當不在同一豎線上時，兩者之間的偏心距和平行偏心方向基底邊長的比值不應超過3%。機組對中要求，可防止機組偏沉，在動力計算中，還可將豎向振動與水平回轉耦合振動分別計算，即“對中”可視為上述兩類振動互不相關的必要條件。基礎底板一般按平板設計，天然基礎時，可設計成異形平板，以滿足對中要求;樁基礎時，一般采用矩形伐板，通過調整樁間距離來滿足對中要求。基礎底板應有一定的剛度，可嵌固柱子，并將荷載均勻傳遞給地基，底板的剛度對調整不均勻沉降起一定的作用。底板厚度變化對最大振幅影響較小，設計時可考慮適當減薄，以節約工程造價;底板的厚度，對中轉速機組(1 000 r/min＜n≤3 000 r/min)可取基礎底板長度的1/15～1/20，對高轉速機組(3 000 r/min＜n)可取基礎底板長度的1/10～1/15，底板厚度不應小于柱截面的邊長，也不應小于800 mm。底板配筋設計:當底板厚度h≤1.2 m時，底板雙層雙向配筋;當1.2 m＜h≤2 m時，底板中部設一層構造鋼筋網φ16～φ20@600～900;當2 m＜h≤3 m時，設兩層;當3 m＜h≤4 m時，設三層。

基礎應獨立布置，底板四周應留有變形縫與其他結構隔開。中間平臺宜與基礎主體結構脫開，當不能脫開時，在兩者連接處宜采取隔振措施。必要時，汽機底板上允許設置加熱器平臺和地下室樓板的柱子。基礎底板的埋深對體系的剛度和阻尼都有影響，埋置基礎四周的地基土對提高地基剛度和阻尼有一定的作用。汽機基礎及毗鄰建筑物基礎置于天然地基上，當能滿足施工要求時，兩者的埋深可不在同一標高上，但基礎建成后，基底標高差異部分的回填土必須夯實。

當基礎建在高壓縮性土地基上時，一般采取人工地基、加大基底面積、地基預壓或采用箱形結構底板，加厚底板不能避免產生不均勻沉降。采用人工砂墊層時，需保證施工質量，保證砂墊層高密度壓實，防止機器長期振動作用下基底脫空，造成基礎偏沉，振動過大。采用毛石混凝土墊層時，須待毛石混凝土終凝后，再澆筑混凝土基礎，以保證墊層不參與基礎振動。當基礎建在濕陷性黃土地基時，需整片換填處理，防止投產后地下管道漏水，導致未處理的黃土地基發生濕陷。為保證機組運行安全，應在運轉層和零米層柱上分別設置永久的沉降觀測點，并進行沉降觀測。沉降觀測分五個時間段，包括底板施工完后、基礎全部施工完后、機器安裝完后、試運行期間、投產后。一旦發現沉降超過警戒值，需立即通知有關單位進行處理。江西省新余市新鋼公司燒結余熱發電項目25 MW機組汽機底板圖見圖1。

4 材料及配筋

鋼筋宜采用Ⅰ，Ⅱ級鋼筋，不宜采用冷軋鋼筋。受沖擊力較大的部位，宜采用熱軋變形鋼筋。鋼筋連接時不得采用綁扎接頭，不宜采用焊接接頭，宜優先采用機械連接接頭。鋼筋的錨固長度可按二級抗震時的錨固長度采用。因基礎承受重復荷載作用，基礎混凝土強度等級不應低于C30。二次灌漿層應采用具有早強、微膨脹、流動性好的灌漿材料。固定機器設備的錨固螺栓，通常采用預留孔方式，需埋設鋼套管。基礎各構件的最小配筋率，可按現行鋼筋混凝土規范選用，當柱斷面較大時，可適當減小。基礎頂板的縱、橫梁應考慮由于構件兩側溫差產生的應力，可在梁兩側分別配置溫度鋼筋，每側配筋百分率為0.1%;100 MW及以上機組每側配筋百分率為0.15%。基礎上部縱、橫梁及柱子需沿構件外圍設有封閉式的箍筋。出線小室墻上有電氣瓷瓶穿過時，為防止渦流作用使混凝土中的鋼筋受熱而變形，應在渦流作用范圍(瓷瓶中心往外不小于500 mm半徑)內，每根鋼筋在交接處應用絕緣材料包扎，以免鋼筋受熱膨脹，造成混凝土開裂。

圖1 江西省新余市新鋼公司燒結余熱發電項目25 MW機組汽機底板圖

5 計算

1)旋轉式機器的擾力:P=P0sinωt。其中，P0=meeω2，me為偏心質量，e為偏心距。理論上旋轉式機器的轉動質量是可以平衡的，實際上由于機器的設計、制造、安裝和維修等因素影響，總有不平衡擾力的存在。2)動力計算體系:質量—彈簧—阻尼體系—假定基礎為有質量的鋼體，地基為無質量的彈簧，并起阻尼器的作用。3)動力計算方法:共振法和振幅法，我國現行GB 50040-96動力機器基礎設計規范采用振幅法。4)基礎底面地基平均靜壓力設計值應滿足:p≤0.8fak;p=(基礎自重+基礎底板上回填土重+機器自重+傳至基礎上的其他荷載標準值)÷基礎底板面積。5)對工作轉速為3 000 r/min的國產汽輪發電機基礎，基礎由橫向框架與縱梁構成的空間框架且滿足以下條件時，可不作動力計算:a.機組功率不大于125 MW，中間框架縱梁Gi≥6Ggi，邊框架Gi≥10Ggi;b.機組功率不大于200 MW，中間框架縱梁Gi≥7Ggi，邊框架Gi≥12Ggi;Gi為集中到梁中或柱頂的重量(包括機器重);Ggi為作用在基礎第i點的機器轉子重量，一般為集中到梁中或柱頂的轉子重量。

［1］GB 50040-96，動力機器基礎設計規范［S］.

［2］GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.

［3］GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范［S］.

［4］徐 建.建筑振動工程手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［5］王希成.底板厚度對汽輪機基礎動力特性的影響［J］.振動工程學報，1994(2):150-153.

［6］沈 濤，劉欣良.汽輪發電機框架式基礎結構配筋問題探討［J］.武漢大學學報，2005(sup):305-308.