淺談鋼廠設備基礎的結構設計與施工

郭曉靜，周云飛

(四川省冶金設計研究院，四川 成都 610041)

0 前 言

隨著我國鋼鐵產業全面轉入結構性去產能、系統性優產能的新階段，鋼廠設備基礎也在向著大型化、空間化改進，如大型筏基、大型箱基、高架式基礎等[1]。這些基礎形式，從工藝上，有效地利用了空間、改善了工作環境；從土建上，在消除不均勻沉降、提高防水能力、減少混凝土用量、縮短工期等方面都取得了良好的效果；但是同時帶來了大體積混凝土、預埋螺栓設計與施工等普遍性的技術難題。

1 大體積混凝土設計與施工

圖1為在達鋼災后燒結技改工程混合機的設備基礎結構施工示意圖。根據混合機的工藝要求，混合機的設備基礎頂標高在室內地坪±0.000以上最低1.075 m、最高2.158 m，該設備基礎的水平尺寸最窄處大于3.45 m、最寬處為13.8 m。根據地勘報告，廠區內含有局部軟弱土層，統一采用振沖碎石樁進行處理以達到承載力要求，將混合機的設備基礎的底標高定為-1.000 m。由《大體積混凝土施工標準》(GB 50496—2018)，大體積混凝土的結構物實體最小幾何尺寸不小于 1 m，本設備基礎為大體積混凝土[2]。

圖1 混合機設備基礎結構施工示意圖

大體積混凝土應選用水化熱低的通用硅酸鹽水泥，3天水化熱不宜大于250 kJ/ kg,7天水化熱不宜大于 280 kJ/ kg。混合機的設備基礎選用粉煤灰水泥，根據《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》(GB/T 200—2017)的低熱水泥3天水化熱≤197 kJ/ kg,7天水化熱≤230 kJ/ kg，初凝時間不小于60 min進行生產[3]。

計算混凝土澆筑時的絕熱升溫值為：

T(t)=WQ(1-e-mt)/Cρ[1]

式中，W為每立方米混凝土的水泥用量， kg/m3，根據配合比取400；Q為每千克水泥水化熱，J/ kg，根據實驗取270；t為水泥水化熱升溫齡期，取7；m為熱影響系數, 一般取0.3；C為混凝土比熱容，一般取 0.96 kJ/( kg·K)；ρ為混凝土的密度，kg/m3，一般取2 500。

代入公式得 T(t)=39.6℃。綜合考慮施工作業環境溫度、晝夜溫差等情況，混凝土的中心溫度不大于 80℃，澆筑和養護過程中無需采取控制混凝土溫度的措施[4]。

由于混合機設備基礎的水平和豎向平面布置情況較為簡單，初凝時間較長，混凝土施工采用分層連續澆筑的方法，不預留豎向或水平施工縫。混凝土澆筑層厚度為500 mm,在前層混凝土初凝之前將次層混凝土澆筑完畢。對于基礎頂面部分突出部位混凝土的模板，基礎內部沿豎向配置的間距小于1 m的構造鋼筋網片，都采用提前預制、分層吊裝到位的施工方法，并采用支撐保證模板及鋼筋的整體穩固性。

總的來說，鋼廠中燒結工程的混合機、制粒機等設備基礎須根據工藝提資和地勘報告來設計，一般屬于大塊式獨立基礎，外形、埋件均比較簡單。通過設計與施工配合，選擇原材料、保證構造措施、制定澆筑順序就能夠達到大體積混凝土的施工質量要求。

2 預埋螺栓設計與施工

圖2為云南永鋼60萬高線加熱爐設備基礎及螺栓平面布置示意圖。預埋螺栓的規格多、數量大，需要在滿足工藝要求的前提下對它們進行結構設計，設計內容見表1。

圖2 加熱爐設備基礎及螺栓平面布置示意圖

表1預埋螺栓結構設計內容

預埋螺栓工藝提資(已知條件)結構設計(求解)定位螺栓平面位置、二次澆筑層厚度a、二次澆筑層頂標高一次澆筑層標高H1長度螺栓露出二次澆筑層的長度b及螺紋長度c、設備荷載(垂直力、傾翻力矩)、螺帽及墊圈形式螺栓錨固長度L及形式調節孔螺栓直徑調節孔寬度d及深度e

1)確定預埋螺栓的定位。工藝提出的預埋螺栓平面位置應保持不變，但是工藝提出基礎頂面標高為二次澆筑層施工完畢后的最終頂標高，結構設計須減去二次澆筑層厚度得到一次澆筑層頂標高H1用于土建施工。

2)確定螺栓的長度。工藝提出的預埋螺栓露出二次澆筑層的長度及螺紋長度應保持不變，螺栓的錨固長度L及錨固形式(直錨、彎錨、錨板)應根據設備荷載(垂直力、傾翻力矩)和設備大小(基礎寬度、厚度)計算得到。

3)設計螺栓調節孔。一般設備基礎的預埋螺栓采用在整個螺栓長度范圍內直接預留孔或者在設備基礎頂部水平面二次澆筑的施工方法，以達到設備基礎接觸面的密實度及水平等精度要求。加熱爐的設備基礎預埋螺栓直徑大、長度長，并且需要滿足高溫受力要求。所有螺栓均為特種金屬非標定制，加工工期長、造價高，預埋螺栓施工的精度要求更高，不允許出現誤差。本工程中對于直徑24～42 mm的預埋螺栓提出了增設了螺栓調節孔的做法。調節孔的大小根據螺栓直徑、埋深和施工經驗確定如表2。

表2 加熱爐基礎預埋螺栓調節孔尺寸表 單位：mm

調節孔位于螺栓的上端與二次澆灌層相通，并同時澆筑如圖3。在大型設備基礎施工中，預埋螺栓的定位需要制作專門的支架[5]。在加熱爐的大型預埋螺栓中增設了調節孔之后，預埋螺栓只需與結構本身的鋼筋網簡單的連接就能保證軸線位置，既提高了安裝速度，又降低制作金屬支架的成本，在施工中取得了良好的效果。

圖3 預埋螺栓參數設計示意圖

3 結 論

與民用建筑或公共建筑的使用要求不同，鋼廠的設備基礎設計與施工是為了滿足生產的需要。根據工藝要求分析混凝土、預埋螺栓的特點進行結構設計，在設計中充分考慮施工的技術難點，不僅有利于提高工程質量、縮短工期、降低成本，在設備的使用和維護過程也會帶來便利。