涉外项目独立基础倾覆稳定性分析

刘天英，徐 浩，郭 瑞

（东北电力设计院，长春 130021）

在一些涉外工程中，常因双方规范的不一致，导致对设计结果产生意见分歧。印度某项目的电除尘器基础根据GB 50007—2002《建筑地基基础设计规范》设计为常规的独立阶梯式基础。设计完成后，由印度业主工程师进行确认。在确认过程中，业主工程师认为电除尘器基础存在严重问题，基础的倾覆稳定性不满足印度规范的要求。关于独立基础的倾覆稳定性，GB 50007—2002没有相关的内容，设计时也没有进行抗倾覆验算。根据以往工程经验，独立基础一般都能够满足要求，不需要进行倾覆稳定性验算。为了验证按中国规范设计的电除尘器基础能否满足要求，分别按中国和印度两国规范对基础的倾覆稳定性进行了计算和对比分析。

1 项目概况

某电厂项目位于印度，采用工程总承包EPC 模式，总承包方为中国公司，设计采用中国规范，由印度方业主工程师进行确认。勘测工作由印度当地勘测公司执行，为便于应用中国规范设计，印度方的勘测报告由中国勘测公司按照中国规范进行转化。电除尘器基础埋深3.5m，作用在残积土层。该土层的描述为：黄褐色至灰黄色，硬塑至坚硬，混多量砾砂及少量碎石，厚度为0.30～12.50m，该层土在厂址内连续分布，密度γ＝17.5kN/m3，承载力特征值fak＝300kPa，地下水位按地面下1m 考虑。

电除尘器由中国制造厂家生产并供货，电除尘器支架采用钢支架，局部位置设有钢支撑。支架钢柱与基础采用螺栓连接，计算模型为铰接连接。基础采用钢筋混凝土阶梯式独立基础，基础设计的柱脚内力数据由制造厂家提供。取其中一个独立基础作为算例进行抗倾覆验算，底面积根据地基承载力确定为4.6m×4.6m，其平面及剖面图见图1，以下如无特殊说明，图中单位为mm。电除尘器钢柱柱脚内力数据由除尘器厂家提供，现取作用在该基础上不同工况下柱脚内力（见表1），已知该力作用在基础短柱的顶面。

图1 基础的平面图及剖面图

表1 柱脚内力

2 抗倾覆验算

2.1 按中国规范

关于独立基础的抗倾覆，GB 50007—2002中没有明确条款，文献［1］探讨了塔机的独立基础的抗倾覆规定，说明独立基础存在水平力或弯矩较大的情况下存在倾覆可能。GB 50007—2002中关于挡土墙的倾覆有较详细的条款，独立基础作为刚体绕转动点进行倾覆计算时可以参考挡土墙的相关内容。抗倾覆计算将抗倾覆的力矩和产生倾覆的力矩进行比较，满足安全系数的要求就可以，规范中取安全系数为1.6。抗倾覆的力矩主要由两部分组成，一部分为基础自重及作用在基础的轴力对旋转点的力矩，另一部分为基础前面的被动土压力产生的抗倾覆力矩。考虑到回填质量不能保证等因素，另外被动土压力用来平衡基础后面的主动土压力，所以没有考虑被动土压力产生的抗倾覆力矩，把其作为安全储备。

按照GB 50007—2002的3.0.4条3款计算挡土墙、地基或滑坡稳定以及基础抗浮稳定时，作用效应按承载能力极限状态下作用的基本组合，但其分项系数取1。根据JGJ 3—2002《高层建筑混凝土结构技术规程》表5.6.4，对于超过60m 的高层建筑，风与地震才同时考虑。参考制造厂家资料，该项目电除尘器的总高度不到40m，风与地震可以不同时考虑；另外，经与电除尘器制造厂家技术人员交流，在水平地震力计算时，灰斗积灰荷载与检修活荷载均作为活载计入重力荷载，没有乘以折减系数。参考上述内容，根据DL 5022—2012《火力发电厂土建结构设计技术规程》，钢柱柱脚内力的计算取如下内力组合：Fd＋Fa＋Fl，Fd＋0.85（Fa＋Fl±Fw），Fd±Fw，Fd＋Fa＋Fl±Fe，其中Fw为风载荷，Fe为地震载荷。经过计算，电除尘器柱脚内力具体数值见表2。

经过挑选，作用在基础短柱顶面的最不利内力组合为Fd＋Fa＋Fl－FeX，相应的内力：轴力N＝2 169kN，水平剪力S＝－289kN。

如果考虑基础和土的自重Wz，混凝土基础和土的加权容重按18kN/m3考虑，则Wz＝1 333.1kN。地下水位按地面下1m 考虑，则水中的混凝土体积V＝17.22m3，水容重按10kN/m3考虑，则水浮力Fb＝172.2kN。倾覆力矩Mo＝1 011.5kN·m，抗倾 覆 力 矩Mr＝（N＋Wz－Fb）×2.3 ＝7 658.8kN·m，则抗倾覆安全系数fo＝Mr/Mo＝7.8＞1.6，抗倾覆远远满足要求。

表2 按中国规范计算的电除尘器柱脚内力 kN

2.2 按印度规范

印度业主工程师按照印度规范进行抗倾覆计算，将抗倾覆的力矩和产生倾覆的力矩进行比较，满足安全系数的要求即可。关于抗倾覆系数在印度规范中这样规定：当恒载、活载、土压力与风或地震力同时考虑，抗倾覆系数不小于1.5；当只有恒载、活载和土压力参与组合，抗倾覆系数不小于2.0［2］。为了计算倾覆力矩，根据电除尘器厂家提供资料，印度业主工程师取以下几种组合进行柱脚内力计算［3］：Fd＋Fa＋Fl，Fd＋Fa＋Fl±Fw，Fd±Fw，Fd＋Fa＋Fl±Fe，0.9Fd±Fe。

经过计算，柱脚内力具体数值见表3。

经过挑选，作用在基础短柱顶面的最不利内力组合为0.9Fd－FeX，相应的内力：轴力N＝－761 kN，水平剪力为S＝－289kN。

如果考虑基础和土的自重Wz＝1 333.1kN，水浮 力Fb＝172.2 kN，则 倾 覆 力 矩Mo＝1 011.5kN·m，抗倾覆力矩Mr＝（N＋Wz－Fb）×2.3＝919.8kN·m，则抗倾覆安全系数fo＝Mr/Mo＝0.91＜1.5，抗倾覆不满足要求。

印度业主工程师认为不但这个基础，整个电除尘器所有的柱下基础都不满足抗倾覆要求，中方的基础设计问题非常严重，要求重新修改设计。

3 对抗倾覆计算的探讨

针对业主工程师提出的问题，经过与中方计算对比分析，认为印度方计算荷载组合存在问题，与中方相比，多出一组0.9Fd±Fe。经与电除尘器制造厂家工程人员沟通，计算地震产生水平力的时候，灰斗积灰荷载与检修活荷载均按活载计入重力荷载，没有进行折减。也就是说地震水平荷载是由恒载、灰斗积灰荷载和检修活荷载共同作为重力荷载产生的。印方业主工程师采用的荷载组合0.9Fd＋Fe，对于基础抗倾覆，只考虑因灰斗积灰荷载和检修活荷载产生的地震水平力的不利作用，而没有考虑因灰斗积灰荷载和检修活荷载产生的竖向重力荷载的有利作用，该组组合不符合实际情况，也不符合逻辑。也就是说如果采用这组组合，相应的地震水平力应仅由恒载作为重力荷载产生，地震水平力会大大减小。

表3 按印度规范计算的电除尘器柱脚内力 kN

因为灰斗积灰荷载和检修活荷载在计算地震水平力时未进行折减，则按比例可以求出恒载、灰斗积灰荷载和检修活载分别产生的地震水平力，见表4。

表4 各重力荷载产生的地震水平力

按照表4中数据，如果采用0.9Fd±Fe这组组合，相应的地震水平力就应该取仅由恒载产生的地震水平力78.9kN 计算倾覆力矩，倾覆力矩Mo＝78.9×3.5＝276.2kN·m，抗倾覆力矩Mr＝（N＋Wz－Fb）×2.3＝919.8kN·m，则抗倾覆安全系数fo＝Mr/Mo＝3.33＞1.5，抗倾覆满足要求。

在数据及逻辑面前，印方工程师不得不承认对于电除尘器制造厂提供的柱脚内力数据理解有误，0.9Fd±Fe这组组合是存在问题的，中方设计的电除尘器基础是满足要求的，最终通过确认。

4 结束语

本文讨论了印度实际项目审查过程中发生的争议，对电除尘器基础抗倾覆按中印规范计算的结果进行了对比分析，说明按中国规范设计的基础完全能满足印度规范要求。对于国际项目，结构设计人员不能因为业主工程师认为不满足要求，就简单修改设计，既加大设计的工作量，又造成投资增加，而应该认真消化设备厂家提供的荷载资料，仔细对比分析，据理力争。

［1］ 孙德霖、谢建民.塔机独立基础设计若干问题探讨［J］.哈尔滨工业大学学报，2005，（3）：65－66.

［2］ IS：13063－1991，Structure safety of buildings on shallow foundations on rocks－code of practice［S］.

［3］ IS：1893－2002，Criteria for Earthquake Resistant Design of Structures Part 1General Provisions and Buildings（Fifth Revision）［S］.