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      輻射梁式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)探討

      2020-05-22 08:24:50裴元義
      水電與新能源 2020年4期
      關(guān)鍵詞:梁式縱筋主梁

      裴元義

      (上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200335)

      風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源中應(yīng)用較為成熟的一種發(fā)電技術(shù),已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了大量的應(yīng)用[1-2]。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為風(fēng)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu),其安全穩(wěn)定關(guān)系到風(fēng)場(chǎng)的正常運(yùn)行[3],在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中顯得越來越重要[4]。圓形輻射梁式陸上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為一種經(jīng)過優(yōu)化的重力式基礎(chǔ),以其工程量少、造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)而得到越來越廣泛的應(yīng)用。而目前針對(duì)此類基礎(chǔ)的系統(tǒng)性研究還比較少。本文將對(duì)輻射梁式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方面的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)地分析,并對(duì)施工方面的要點(diǎn)進(jìn)行探討。

      1 輻射梁式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

      基礎(chǔ)是上部風(fēng)機(jī)機(jī)組的支撐,由于風(fēng)機(jī)機(jī)組高度一般在80 m左右,而直徑只有約4 m,屬于典型的高聳結(jié)構(gòu),所以合理的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)組的安全起著決定性的作用,并且很大程度上影響工程的造價(jià)。輻射梁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外觀類似于民用建筑中的筏板式基礎(chǔ),但受力情況與之又有很大的不同。基礎(chǔ)不僅受到豎向荷載和水平荷載,還將長期受到上部結(jié)構(gòu)傳來的持續(xù)循環(huán)性傾覆力矩。輻射梁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

      圖1 輻射梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

      輻射梁式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括:基礎(chǔ)尺寸的擬定、基礎(chǔ)穩(wěn)定計(jì)算、地基承載力計(jì)算、沉降計(jì)算、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及配筋計(jì)算、裂縫驗(yàn)算、基礎(chǔ)環(huán)抗拔驗(yàn)算、地基動(dòng)態(tài)剛度驗(yàn)算以及基礎(chǔ)疲勞驗(yàn)算等[5]。輻射梁式基礎(chǔ)是傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)的改良,所以在基礎(chǔ)尺寸的擬定、基礎(chǔ)穩(wěn)定計(jì)算、地基承載力計(jì)算、沉降計(jì)算、基礎(chǔ)環(huán)抗拔驗(yàn)算、地基動(dòng)態(tài)剛度驗(yàn)算以及基礎(chǔ)疲勞驗(yàn)算等方面的計(jì)算方法與傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)并無差異,而國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)的計(jì)算做過大量的研究和實(shí)踐,所以本章將不再對(duì)上述方面具體分析,將重點(diǎn)介紹輻射梁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及配筋計(jì)算方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

      輻射梁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以分解為:基礎(chǔ)中心圓臺(tái)、八根主梁、外圈環(huán)形次梁、底板。其中圓臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)環(huán)抗拔驗(yàn)算,計(jì)算內(nèi)容同傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)相同,將不再贅述,故本節(jié)主要介紹主梁、次梁、底板的結(jié)構(gòu)計(jì)算步驟及要點(diǎn)。

      1.1 基底反力計(jì)算

      結(jié)構(gòu)計(jì)算的第一步是求解基底反力。本結(jié)構(gòu)圓形基礎(chǔ)的基底反力pmax、pmin應(yīng)按照《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50135相關(guān)規(guī)定求解,若基底在控制工況下出現(xiàn)脫空,還應(yīng)計(jì)算受壓面積寬度ac[6]。由于輻射梁式基礎(chǔ)上部有約2~3 m厚的覆土,故應(yīng)用基底反力pmax、pmin減去上覆土和基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力而得到基底凈反力pjmax、pjmin,基底出現(xiàn)脫空時(shí),受壓面積寬度ac偏安全考慮不因上覆土和基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力而增長。

      在控制工況作用下,基礎(chǔ)一側(cè)向上的基底反力達(dá)到最大,這一側(cè)稱為反力側(cè);基礎(chǔ)另一側(cè)基底反力達(dá)到最小甚至出現(xiàn)部分基礎(chǔ)脫空,此時(shí)這一側(cè)上覆土和基礎(chǔ)自重壓力將大于基底反力從而使基礎(chǔ)這一側(cè)受到向下的壓力,這一側(cè)稱為壓力側(cè)。

      1.2 主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

      主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)在控制工況下,在最危險(xiǎn)截面處計(jì)算主梁的頂部縱筋、底部縱筋、箍筋和腰筋,并驗(yàn)算主梁頂部和底部裂縫是否滿足規(guī)范要求。

      1.2.1 反力側(cè)主梁配筋計(jì)算

      控制工況下,反力側(cè)主梁在正彎矩的作用下,底部縱筋將達(dá)到最大受力狀態(tài),應(yīng)計(jì)算此時(shí)主梁底部縱筋配筋面積、箍筋面積、腰筋面積。

      反力側(cè)主梁受力主要為底板和次梁傳遞來的基底凈反力,每根主梁所分配到的基底凈反力受力區(qū)域應(yīng)按圖2所示的扇形陰影面積考慮(示意圖中按基底在控制工況下出現(xiàn)脫空作為示例說明)。

      圖2 反力側(cè)主梁受力示意圖

      主梁屬于線型變截面梁,A點(diǎn)處的梁高往往是C點(diǎn)處梁高的2~2.5倍,最危險(xiǎn)截面應(yīng)在主梁根部A點(diǎn)處。應(yīng)用微積分對(duì)陰影部分求解可得出控制工況下A點(diǎn)處的彎矩和剪力。然后根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定,對(duì)A截面進(jìn)行受剪截面驗(yàn)算、正截面受彎承載力計(jì)算、斜截面受剪承載力計(jì)算,從而得到主梁底部縱筋面積、主梁箍筋面積和腰筋面積。

      1.2.2 壓力側(cè)主梁頂部配筋計(jì)算

      控制工況下,壓力側(cè)主梁在負(fù)彎矩的作用下,頂部縱筋將達(dá)到最大受力狀態(tài),應(yīng)計(jì)算此時(shí)主梁頂部縱筋配筋面積、箍筋面積、腰筋面積。

      壓力側(cè)主梁受力主要為上覆土和自重壓力和底板和次梁傳遞來的基底反力,偏安全考慮,不考慮基底反力的有利影響。每根主梁所分配到的壓力區(qū)域應(yīng)按圖3所示的扇形陰影面積考慮。

      圖3 壓力側(cè)主梁受力示意圖

      此時(shí)主梁的最危險(xiǎn)截面仍然應(yīng)在主梁根部A點(diǎn)處。應(yīng)用微積分對(duì)陰影部分求解可得出控制工況下A點(diǎn)處的彎矩和剪力。然后根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定,對(duì)A截面進(jìn)行受剪截面驗(yàn)算、正截面受彎承載力計(jì)算、斜截面受剪承載力計(jì)算,從而得到頂部縱筋面積、箍筋面積和腰筋面積。

      1.2.3 主梁配筋結(jié)果與尺寸調(diào)整

      縱筋配筋結(jié)果:底部縱筋應(yīng)按1.2.1中反力側(cè)荷載模式下得到的底部縱筋面積取值,并驗(yàn)算主梁底部裂縫;頂部縱筋應(yīng)按1.2.2中壓力側(cè)荷載模式下得到的頂部縱筋面積取值,并驗(yàn)算主梁頂部裂縫。

      箍筋配筋結(jié)果:應(yīng)比較1.2.1中反力側(cè)荷載模式下得到的箍筋面積與1.2.2中壓力側(cè)荷載模式下得到的箍筋面積,取兩者中的大值作為主梁的箍筋面積。

      腰筋配筋結(jié)果:應(yīng)比較1.2.1中反力側(cè)荷載模式下得到的腰筋面積與1.2.2中壓力側(cè)荷載模式下得到的腰筋面積,取兩者中的大值作為主梁的腰筋面積。

      其他構(gòu)造鋼筋應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定設(shè)置。

      尺寸調(diào)整:若配筋出現(xiàn)超筋或鋼筋應(yīng)力過小的情況時(shí),應(yīng)調(diào)整主梁的尺寸;若裂縫不滿足要求,應(yīng)調(diào)整鋼筋量或主梁尺寸,再按本節(jié)中的步驟重新進(jìn)行配筋驗(yàn)算。

      1.3 次梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

      次梁結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)在控制工況下,在最危險(xiǎn)截面處計(jì)算次梁的縱筋、箍筋和腰筋,并驗(yàn)算次梁裂縫。本文中次梁采用配置對(duì)稱縱筋來說明計(jì)算要點(diǎn),也可根據(jù)項(xiàng)目具體情況采用不對(duì)稱配筋。

      1.3.1 次梁荷載計(jì)算

      次梁呈環(huán)形,被八根主梁分隔為八小段,每段的兩端與主梁連接,鋼筋伸入主梁內(nèi)部,故連接方式為固接;每段底部與底板連接,底板鋼筋伸入次梁內(nèi)部,故與底板的連接方式也為固接。此時(shí)次梁主要承受底板傳來的地基反力與土壓力,底板可參照四邊固支板的受力模式,荷載線按45°線分配至四邊,所以次梁的受力區(qū)域如圖4所示。

      圖4 次梁受力區(qū)域示意圖

      在控制工況下,反力側(cè)次梁主要承受的是陰影部分底板傳遞來的基底凈反力,用微積分可以求得次梁上的線型荷載分布情況,然后按照兩端固支梁計(jì)算可得跨中彎矩、支座負(fù)彎矩、支座處剪力以及扭矩。

      在控制工況下,壓力側(cè)次梁主要承受的是陰影部分底板傳遞來的上覆土壓力和自重,按上述同樣方法可求得跨中彎矩、支座負(fù)彎矩、支座處剪力。

      次梁采用對(duì)稱配筋,故不再區(qū)分正彎矩和負(fù)彎矩(若采用不對(duì)稱配筋則應(yīng)分正彎矩和負(fù)彎矩分別計(jì)算次梁底部和頂部配筋)。對(duì)比反力側(cè)的跨中彎矩、支座負(fù)彎矩和壓力側(cè)的跨中彎矩、支座負(fù)彎矩,可得到次梁上的最大彎矩;對(duì)比反力側(cè)的支座剪力和壓力側(cè)的支座剪力可得次梁上的最大剪力。

      1.3.2 次梁配筋計(jì)算和尺寸調(diào)整

      在1.3.1中得到截面最大彎矩和最大剪力后,應(yīng)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定,按照對(duì)稱配筋對(duì)次梁進(jìn)行受剪截面驗(yàn)算、正截面受彎承載力計(jì)算、斜截面受剪承載力計(jì)算,從而得到次梁縱筋面積、箍筋面積和腰筋面積,并驗(yàn)算次梁裂縫是否滿足要求。其他構(gòu)造鋼筋應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定設(shè)置。

      若配筋出現(xiàn)超筋或鋼筋應(yīng)力過小的情況時(shí),應(yīng)調(diào)整次梁的尺寸;若裂縫不滿足要求,應(yīng)調(diào)整鋼筋量或次梁尺寸,再按本節(jié)中的步驟重新進(jìn)行配筋驗(yàn)算。

      1.4 底板結(jié)構(gòu)計(jì)算

      底板結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)在控制工況下,分徑向和環(huán)向分別計(jì)算所需的縱筋數(shù)量。

      2級(jí):使用6/0~7/0無創(chuàng)線連續(xù)或間斷縫合(針距1~3 mm,邊距1 mm)并將可吸收止血紗或明膠海綿覆蓋在縫合口之上。注意縱形縫合且進(jìn)針要淺,為避免傷及脊髓和馬尾神經(jīng),縫合應(yīng)從創(chuàng)口兩端開始并提起縫合。

      1.4.1 底板荷載計(jì)算

      由于底板與主梁、次梁、圓臺(tái)的連接均為固支,且底板兩個(gè)方向尺寸一般差別不大,所以可參照四邊固支雙向板的受力模式來分析計(jì)算。底板的形狀為扇形,可以偏安全得簡化為矩形截面來計(jì)算,徑向板帶計(jì)算長度取扇形徑向長度,環(huán)向板帶計(jì)算長度偏安全取扇形外側(cè)最大弧長。

      在控制工況下,反力側(cè)底板主要承受的是基底凈反力,按四邊固支雙向板計(jì)算可得反力側(cè)徑向和環(huán)向的跨中正彎矩和支座處彎矩;壓力側(cè)底板主要承受的是上覆土壓力和自重,計(jì)算可得壓力側(cè)徑向和環(huán)向的跨中正彎矩和支座處彎矩。

      底板采用對(duì)稱配筋,對(duì)比反力側(cè)和壓力側(cè)徑向的跨中正彎矩和支座處彎矩可得徑向最大彎矩,同理可得環(huán)向最大彎矩。

      1.4.2 底板配筋計(jì)算和厚度調(diào)整

      在1.4.1中分別得了環(huán)向和徑向最大彎矩,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定,按照對(duì)稱配筋對(duì)底板進(jìn)行正截面受彎承載力計(jì)算,從而得到底板上部和下部的縱筋面積。其他構(gòu)造鋼筋應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定設(shè)置。

      2 輻射梁式基礎(chǔ)施工要點(diǎn)

      輻射梁式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的施工順序應(yīng)為:測(cè)量放樣→基礎(chǔ)開挖→基礎(chǔ)環(huán)支撐件預(yù)埋鋼板放樣→墊層澆筑→基礎(chǔ)環(huán)支撐件安裝→基礎(chǔ)環(huán)安放調(diào)平→底板、主梁、次梁鋼筋綁扎→預(yù)埋件安裝→混凝土澆筑→混凝土養(yǎng)護(hù)→回填夯實(shí)。其中大部分工序的施工方法可參照傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)的施工方法,目前已經(jīng)比較成熟。但由于輻射梁基礎(chǔ)自身的特點(diǎn),次梁鋼筋綁扎和回填壓實(shí)這兩個(gè)施工過程應(yīng)作為施工過程的重點(diǎn),以保證基礎(chǔ)的質(zhì)量。

      2.1 次梁鋼筋綁扎

      由圖1可看出,輻射梁式基礎(chǔ)的次梁為環(huán)梁,次梁的縱筋呈環(huán)狀。在鋼筋綁扎的施工過程中,一般需要先綁扎主梁的鋼筋,而后將次梁的縱向鋼筋伸入主梁中而形成整體;次梁的箍筋需要在穿縱筋之前立在主梁邊,縱筋從主梁中穿過時(shí)同時(shí)也從次梁箍筋之中穿過,而后將次梁箍筋移動(dòng)到設(shè)計(jì)的位置;最后將次梁縱筋接頭相連接。由此可見主梁鋼筋和次梁箍筋對(duì)次梁縱筋起到了很強(qiáng)的限位作用,致使一旦次梁縱筋的彎曲度和安裝長度出現(xiàn)較大的制造誤差或安裝誤差,就只能在現(xiàn)場(chǎng)用撬棍調(diào)整縱筋位置,浪費(fèi)人力和工期,若誤差較大則會(huì)引起返工?;谝陨鲜┕み^程,本文建議如下:

      1)對(duì)次梁縱筋的安裝長度、曲率以及和箍筋的尺寸要在鋼筋加工場(chǎng)嚴(yán)格把關(guān),盡量減小制作誤差。

      2)每層鋼筋的現(xiàn)場(chǎng)放樣都要準(zhǔn)確,減小安裝誤差從而減小安裝難度。特別要控制次梁上層鋼筋的放樣精度,由于模板一般采用圓形的鋼模板,外形曲率是固定的,若上部鋼筋放樣位置出現(xiàn)偏差,則會(huì)造成混凝土保護(hù)層厚度不足。

      3)由于單根鋼筋的長度有限,次梁鋼筋需要將多根鋼筋連接。鋼筋連接接頭的設(shè)置需嚴(yán)格按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定。由于在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中,次梁不斷受到循環(huán)荷載的影響,要求鋼筋能承受反復(fù)拉壓的影響,殘余變形要小,對(duì)鋼筋的延性要求也較高,所以本文推薦次梁縱筋使用機(jī)械套筒連接,應(yīng)按照《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》JGJ107的相關(guān)規(guī)定[7]。

      4)為減小次梁縱筋安裝難度,當(dāng)出現(xiàn)誤差時(shí)方便糾正,本文推薦使用較小直徑的鋼筋作為次梁縱筋,縱筋直徑一般不宜超過25 mm。

      2.2 回填壓實(shí)

      風(fēng)機(jī)荷載是由輻射梁式基礎(chǔ)與其上覆土共同承擔(dān)的,所以上覆土的回填壓實(shí)質(zhì)量對(duì)工程的安全至關(guān)重要。

      1)回填材料?;靥畈牧峡蛇x用經(jīng)過監(jiān)理確認(rèn)的基礎(chǔ)開挖土石料,也可以從經(jīng)過監(jiān)理確認(rèn)的取土區(qū)取土,石料最大粒徑不得大于10 cm,以防止大塊料堆集,造成架空而難以壓實(shí)?;靥畈牧现胁坏煤兄脖弧⒉萜?、腐殖土和雜物等,回填前應(yīng)清楚基坑中的積水、淤泥。為保證上覆土對(duì)基礎(chǔ)的壓重,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙嚴(yán)格控制壓實(shí)后土石料的干密度。

      2)壓實(shí)機(jī)械。常用的碾壓機(jī)械有靜壓碾壓、振動(dòng)碾壓和夯擊?;A(chǔ)上方進(jìn)行回填壓實(shí)施工時(shí),為避免壓實(shí)機(jī)械對(duì)基礎(chǔ)造成損壞,所以應(yīng)使用輕型的靜壓碾壓或振動(dòng)碾壓,不可使用夯擊。當(dāng)基礎(chǔ)混凝土之上土層厚度不足300 mm時(shí),應(yīng)采用人工夯實(shí)。壓實(shí)分層的厚度、每層壓實(shí)的遍數(shù)和填土質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)參照《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50202的相關(guān)內(nèi)容[8]。

      3)回填土表面處理?;靥罘秶鷥?nèi)的填土高度不可低于周圍地面,以防止雨后積水影響檢修,并且回填時(shí)應(yīng)按不同的土質(zhì)預(yù)留一定的沉降量。為將雨水及時(shí)從回填范圍內(nèi)排走,回填土應(yīng)設(shè)置一定的坡度,并且應(yīng)在回填土之上鋪設(shè)一定厚度的級(jí)配碎石以防止沖刷。

      3 結(jié) 語

      輻射梁式基礎(chǔ)的造價(jià)低,應(yīng)用范圍廣,在清潔能源越來越受到重視的背景下,該類型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)輻射梁式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容分步驟進(jìn)行了詳細(xì)分析,并切合實(shí)際地對(duì)施工要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié),對(duì)今后輻射梁式基礎(chǔ)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用具有參考價(jià)值。

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