槽式太阳能热发电站镜场内小荷载基础取消二次灌浆的可行性研究

青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司 ■ 马其森

0 引言

太阳能作为一种清洁可再生能源，在能源战略中占有重要地位。太阳能热发电凭借其可储热、可调峰、可连续发电的优点，正在成为新能源领域的投资热点。聚光型热发电技术主要有槽式、塔式、碟式和菲涅耳式4种。其中，槽式聚光技术是利用槽式抛物面聚光器，将太阳光汇聚在一条线上，在焦线上安装管状集热器，吸收太阳辐射能；众多槽式聚光器串、并联组成了聚光集热器阵列[1]。集热器集中布置的区域被称为镜场。

槽式太阳能热发电站中有一个一定长度的串联管道，连接在槽式聚光器的两个相邻回路间，如图1所示。这类管道的直径小、荷载小、高度高，适合采用钢柱支撑；钢柱基础采用独立扩展基础。

图1 聚光集热器回路

在槽式太阳能热发电站中，整个镜场中导热油管道的长度长、分布广，布置复杂有序，而串联管道的支撑基础体量小、个数多，以百千计。此类基础可考虑使用预制基础。施工过程中，所有串联管道的基础均需要进行二次灌浆处理，以确保基础浇注时混凝土与柱脚底板之间紧密连接，而且二次灌浆的施工过程不能通过对基础混凝土预制而省略。虽然目前尚无针对管道基础取消二次灌浆的技术研究，但槽式聚光器的支撑基础取消二次灌浆已经有相关的工程实践。而且槽式聚光器的支撑基础所承受的荷载远比串联管道基础的荷载要大且复杂，因此，研究小荷载的管道基础取消二次灌浆，具有相当大的实际意义、经济价值和应用前景。

1 问题分析

在钢结构设计中，柱脚底板与混凝土基础之间采用预埋锚栓进行连接。在施工过程中，由于一次混凝土现场浇注难以控制浇注面的平整度，因此在钢结构安装后，柱脚底板与混凝土基础之间难以紧密贴合。为避免出现此种情况，在基础浇注过程中，往往采用二次灌浆技术，利用细石混凝土或特殊灌浆材料，填满柱脚底极与混凝土基础之间的空隙，保证二者贴合紧密、传力顺畅，如图2所示。

图2 二次灌浆示意图

基础浇注过程中，二次灌浆的作用主要体现在：1)防止锚栓被腐蚀；2)提供更均匀可靠的传递轴力路径；3)在不设置剪键的情况下，依靠摩擦力提供抗剪能力。

以上3点也是在取消二次灌浆后需要重点解决的问题。对于锚栓腐蚀的问题，可以采用镀锌防腐等措施避免；对于柱脚向下传递拉压力或弯矩的问题，可通过锚栓的抗拉来完成力的传递。因此，若取消二次灌浆，需重点关注锚栓的抗剪能力。锚栓的抗剪能力主要包括受拉和受压情况下的抗剪性能。

2 中美两国行业规范的对比

我国的GB 50017-2003《钢结构设计规范》表3.4.1-4中表述，锚栓只提供抗拉承载力，这间接说明锚栓不参与抗剪计算。

美国的标准设计指导手册《AISC Steel Design Guide 1—Column Base Plates (2nd Edition)》[2]中，提到有3种方法将剪力从柱脚底板传递至混凝土基础上，分别是：1)依靠柱脚底板和混凝土/灌浆层的摩擦力提供抗剪能力；2)通过剪力键提供抗剪能力；3)锚栓的抗剪能力。

因此，在美国的标准设计指导手册中，柱脚底板上的锚栓是可以参与抗剪的。这就为镜场小荷载基础取消二次灌浆设计，提供了设计途径和方法。

3 抗剪锚栓设计

由于制造和安装的需要，柱脚底板上的锚栓孔大于锚栓直径。因此，在承受水平力时，柱脚底板相对于锚栓位置往往会有一定的位移，这就造成了水平力不能均匀地由全部锚栓共同承担的现象。为降低这种现象导致的计算难度，需要通过一定的措施，以保证水平力由全部锚栓共同承担。这些措施包括：1)柱脚底板上部的锚栓垫片需要与柱脚底板焊接；2)垫片孔径应为“锚栓直径 + 1.6 mm”。

通过以上措施，剪力可由全部锚栓共同承担。在水平剪力作用下，锚栓应进行压弯/拉弯计算。

当垫片不与柱脚底板焊接时，需要考虑柱脚底板与锚栓之间的相对位移，由此导致了由最不利侧的两个锚栓提供抗剪能力。本文对此不进行详细论述。

4 工程实践

4.1 背景简介

现以国外某太阳能热发电站的工程实际情况为例，阐述小荷载基础取消二次灌浆的可行性。该热发电站的管道支撑的结构形式如图3所示。

图3 管道支撑的结构形式

由图3可知，管道支撑钢柱将在柱底产生弯矩、竖向力和水平双向的剪力。根据不同的管道荷载，可计算得出柱脚最不利的荷载组合，如表1所示。本文以这5种管道产生的柱脚最不利荷载组合为例，进行锚栓受力计算。

表1 柱脚最不利荷载组合

4.2 模型建立与分析

综上所述可以看出，取消二次灌浆的设计计算，实质上是对锚栓在剪力作用下的拉/压计算。

根据柱脚底板和锚栓的位置关系，利用SAP2000建立分析模型进行模拟计算。其中，锚栓采用一定直径的圆形截面，以直径24 mm进行计算；材料及长度均按照工程实际进行建模。柱脚底板采用壳单元，厚度及材料按照工程实际进行建模。由于本工程中管道荷载小，因此柱脚采用4根锚栓进行计算。

锚栓底部嵌入混凝土，因此可以将锚栓底部设置为固结支座。柱脚底板按照荷载作用点和连接点进行分隔。总体模型如图4所示。

图4 柱脚底板与锚栓的SAP2000模型

向柱脚底板的中心点施加表1中5种最不利荷载组合。通过模型中的柱脚底板(红色)壳单元，向锚栓(蓝色)传递力，从而对锚栓进行受力分析，最终结果如图5所示(为显示方便，隐去红色底板)。

图5 5种荷载组合下锚栓应力比情况

由计算结果可知，1#～3#荷载组合下锚栓的应力比小于1，因此通过了锚栓的剪压设计计算；由于4#和5#荷载组合下锚栓的弯矩和剪力大，在不利侧的锚栓产生了较大的应力，结果显示为应力比超限(＞1)，不能通过剪压设计计算。通过对锚栓直径和材料进行修改，利用较大直径的锚栓和高强度的材料，结果显示可以通过相关设计计算。

因此，根据美国标准进行建模分析后发现，小荷载的管道基础取消二次灌浆后，锚栓可抵抗适当的剪力。

5 基础抗剪介绍

在美国的标准设计指导手册中，对取消二次灌浆后基础的抗剪设计进行了一系列的规定，对锚栓的埋设位置有一定要求，并指出需要进行基础的抗劈裂计算。

混凝土基础的抗劈裂计算公式经简化后，混凝土抗劈裂的名义值Vcb可表示为：

式中，Av为锚栓劈裂区域面积；Avo为单根锚栓的劈裂区域核心区的面积，大小为4.5c12；ψ6为当基础侧面保护层厚度影响劈裂核心区大小时，对混凝土抗劈裂能力的调整系数，一般可取1.0；do为锚栓直径；fc′为混凝土抗压强度；c1为水平力荷载方向上，锚栓到混凝土边缘的距离；系数10.4需要在英制单位下使用。

当c1足够大时，混凝土劈裂便不再作为锚栓设计时的控制条件，其控制条件变为锚栓的拉剪和压剪计算。

单根锚栓劈裂区域示意图如图6所示。

图6 单根锚栓劈裂区域示意图

混凝土基础的抗劈裂能力计算，仅在不配筋混凝土中需要进行检验。在配筋混凝土中，只需要采取一定的构造措施保证剪力传递即可。其构造措施与国标类似：1)锚栓位置需在短柱的角筋核心区内部；2)需在短柱顶部130 mm范围内布置水平向3层直径10 mm的钢筋网片 或2层直径12 mm的钢筋网片[3]。

6 小结

对于配筋混凝土基础，按照构造要求设置钢筋网片、将垫片与柱脚底板焊接、垫片孔径略大于螺栓直径等措施可以取消混凝土基础的二次灌浆，但同时锚栓需要进行压弯/拉弯验算，保证锚栓的抗剪性能。需要注意的是，锚栓的抗剪能力有限，因此，外荷载不能过大是取消基础二次灌浆设计的前提条件。在美国的标准设计指导手册中，推荐在抗剪计算中，锚栓的最大直径不宜超过32 mm，更加限制了在取消基础二次灌浆设计时外荷载的量级。

对于镜场管道支撑基础来说，其管道荷载较小，为取消二次灌浆设计提供了前提条件。在满足相关构造措施和锚栓计算后，可以取消二次灌浆，从而节省了大量的灌浆施工作业，对工程应用具有非常实际的经济效益。

7 结论

本文以国外某太阳能热发电站的工程实际情况为例，利用SAP2000建立分析模型，论证了小荷载管道基础取消二次灌浆的可行性，从而节省了大量的灌浆施工作业。但以上结论是以镜场管道支撑基础荷载较小为前提条件的，在美国的标准设计指导手册中，推荐在抗剪计算中锚栓的最大直径不宜超过32 mm，更加限制了在取消二次灌浆设计时外荷载的量级。