桩岩混合地基条件下的间接空冷塔结构有限元分析

陈良，刘志刚，聂恒宽，吴彩虹

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京市 100120)

0 引言

双曲线型间接空冷塔的地基、基础及塔体上部结构是一个相互影响的整体［1］，其基础直径较大，对场地的承载能力及均匀性要求较高。神头电厂2×600 MW燃煤发电机组采用间接空冷系统，共建有2座双曲线型冷却塔，冷却塔均坐落在倾斜岩基上，场地整平后冷却塔部分基础坐落在岩基上，部分坐落在回填土上，回填土区域采用灌注桩处理。

岩基和桩基的存在使冷却塔基础存在岩性突变。进行冷却塔设计时很少考虑基础的不均匀性，难以量化该突变节点对冷却塔环基、塔筒等结构的影响。本文以神头电厂1号冷却塔为例，采用有限元通用软件ANSYS，模拟冷却塔地基条件，经与假定均匀地基条件下的塔筒结构对比，量化分析地基岩性突变对冷却塔基础的影响，并给出具体的解决措施。

1 冷却塔资料

冷却塔塔顶设计标高173.0 m(相对标高)，喉部高度127.8 m，喉部半径44.0 m;采用环板型基础(简称环基)，基础中心半径71.66 m，宽8.8 m;X支柱共44对，截面尺寸为1 000 mm×1 600 mm。

根据岩土勘测结果，基岩的温克尔系数为100 000 kN/m3;设计采用的基本风压为0.63 kPa，B类场地［2］;塔内运行温度为29.1℃，冬季塔外设计温度为-30.5℃;计算时考虑了冷却器等外部结构作用在塔体上的荷载。

地基处理采用灌注桩，桩径800 mm，桩长为10～38 m，以灌注桩嵌入基岩为准。地基处理后，该冷却塔部分坐落在天然岩基上，部分坐落在灌注桩上;中间过渡段基岩埋深较浅，采用毛石混凝土置换岩土进行处理。塔筒及支柱混凝土采用C45，环基混凝土采用C35;钢筋采用HPB235、HRB335及HRB400。

2 冷却塔模拟计算

为研究桩岩混合地基对冷却塔的影响，本计算共分为2个部分，即分别计算该冷却塔在均匀岩基和桩岩混合地基条件下的塔体各部分(重点是环基)内力及配筋等，并进行对比分析。

计算考虑的荷载主要有塔体自重［3］、风荷载［2］、塔筒内外温差［3］以及冷却三角等外部结构作用在塔体上的力;对于混合地基，应该考虑风载方向与桩基的相对位置，冷却塔桩基布置在175.9°～6.14°方位，计算时考虑多个不利风向;对于均匀地基，只需要考虑1种来风方向即可。

ANSYS模型中，塔筒采用SHELL63单元模拟，X支柱及环基采用BEAM188单元模拟;基础对冷却塔的作用采用COMBIN14单元模拟;根据设计资料，灌注桩采用单桩建模方案，采用COMBIN14单元模型。

2.1 桩基的模拟

计算时考虑每根桩的竖向刚度及水平刚度，从而确定其对应的弹簧胡克系数［4-10］，计算结果如表1所示。其中:单桩的竖向胡克系数为

式中:ξN为桩身轴向压力传递系数;h为桩的入土长度，m;E、A分别为桩身弹性模量及横截面面积;C0为桩地面地基土竖向抗力系数;A0为单桩桩底压力分布面积。

单桩的水平胡克系数为

表1 单桩弹簧系数计算结果Tab.1 Calculation results of single pile’s spring coefficient

式中:δMM为桩顶单位弯矩作用时桩顶的转角;δHH为桩顶单位水平力作用时桩顶的水平位移;δMH为桩顶单位水平力作用时桩顶的转角。

2.2 岩基的模拟

由于毛石混凝土刚度较大，范围小，埋深浅，且直接与基岩接触，故将其视为岩基。根据温克尔系数及工程经验，确定岩基弹簧单元的竖向胡克系数为22.42 ×108，水平胡克系数为14.80×108。

桩岩混合地基冷却塔模型中，相邻岩基弹簧单元间距2.045°，同等范围内布置4.16根桩。桩基与岩基的竖向胡克系数之比为0.226，二者相差非常大，即灌注桩处理后仍存在地基岩性突变。

3 模拟结果分析

3.1 对塔筒局部稳定的影响

大型冷却塔的局部稳定性是设计必须考虑的因素，双曲线冷却塔的局部稳定性按下式验算

式中:KB为局部稳定性安全因子;σ1、σ2分别是考虑内吸力的环向与子午向压力;σcr1、σcr2分别为环向与子午向临界压力［3］。

式中:h、r0分别为塔筒喉部壁厚与半径;v为壳体混凝土泊松比;K1、K2为塔筒几何参数。

图1为该冷却塔在假定的均匀岩基条件及桩岩混合地基条件下的局部稳定系数。桩岩混合地基对局部稳定影响不大，在最危险区域该影响小于1.5%。

图1 塔筒局部稳定系数计算结果Fig.1 Calculation results of tower shell’s local stabilization coefficient

3.2 对环基位移的影响

图2为自重作用下各支柱下环基的沉降结果，由图2可知:(1)桩群末端(6.14°、175.9°)两侧的支柱基础存在较大的位移差，最大位移差达5.3 mm;(2)相邻支柱沉降差迅速变为0。

图2 恒载作用下混合地基冷却塔各支柱下环基沉降变形Fig.2 Settlement deformation of ring base below each pillar under mixed foundation under dead load

图3为175.9°附近环基在自重作用下的位移结果。由图3可知:地基突变对环基的水平位移影响较小，可不予考虑;本工程地基突变影响的范围约20.46°(167.73°～188.19°)。

图3 恒载作用下地基突变附近环基位移Fig.3 Deformation of ring base with mutations under dead load

由图2、3可知:(1)对于环基，基础岩性突变只影响该突变附近局部范围内的环基;(2)基础岩性突变对环基的沉降差影响较大;(3)基础岩性突变影响范围约±10.23°，其中主要集中在突变点±6°以内。

3.3 对环基配筋的影响

表2为某一方向风载作用下桩群末端附近的环基内力计算结果。受基础岩性突变的影响，相应位置环基内力发生较大变化，如在工况I中，轴向拉力(即表中切向力)增大了近50%，竖向弯矩也增大了63%以上。经过计算，混合地基条件下此处环基侧面配筋比均匀地基条件下增大约50%。

3.4 对塔筒配筋的影响

表3为假定均匀岩基条件下的塔筒配筋计算结果及本工程的实际配筋计算结果。由于塔筒内力数据较多，限于篇幅，本表只统计了每隔3层模板的配筋对比结果。由表3可看出，由于塔筒内侧2个方向配筋大部分为构造配筋，因此地基突变对塔筒该方向配筋影响不大或基本没影响;此外，地基突变对塔筒竖向外侧配筋有一定的影响，但影响较小;另一方面，地基突变对环向外侧配筋影响比较限制，这是因为受环基不均匀沉降的影响，塔筒相应位置两侧混凝土亦产生较大的竖向变形差，进而导致水平配筋的增大。

表2 地基突变处环基内力计算结果Tab.2 Calculation results of internal forces at ring mutation part

表3 塔筒配筋计算结果Tab.3 Calculation results of shell reinforcement mm2

4 结论

桩岩混合地基条件下，神头电厂冷却塔的地基存在岩性突变的情况;该岩性突变使得环基产生不均匀沉降差，不仅对一定区域内的环基内力存在影响，甚至影响到塔筒的内力分布及配筋;其中受影响最大的是环基。对于混合地基，应尽量减少地基的差异，同时应加大环基局部配筋;由于塔筒外壁环向配筋增大较大，必要时可分区域配筋，可将塔筒区分为桩基区域、岩基区域及过渡区域，以减少钢筋量。采用桩岩混合方案，可解决神头工程冷却塔地基不均匀问题。数值分析揭示出地基突变引起塔体各部分的变化规律，对相似工程具有一定的参考意义。

［1］李辉.冷却塔考虑地基-基础-上部结构相互作用的地震反应分析［D］.西安:西安理工大学，2010.

［2］GB 50009—2001建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［3］DL/T 5339—2006火力发电厂水工设计规范［S］.北京:中国电力出版社，2006.

［4］JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［5］崔亚平.冷却塔不均匀沉降的应力分析［J］.山西建筑，2003，29(18):43-44.

［6］王慧君.基础的局部沉陷对自然通风冷却塔应力的影响［J］.力学与实践，1994，16(3):29-31.

［7］武际可.大型冷却塔结构分析的回顾与展望［J］.力学与实践，1996，18(6):1-5.

［8］王研明，管仲国.大型冷却塔桩基缺陷与补强对结构影响的分析［J］. 特种结构，2009(1):26-28.

［9］JGJ 79—2002建筑地基处理技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［10］GB 5007—2002建筑地基基础设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.