小型汽轮发电机基础设计要点

周 礼

(永清环保股份有限公司，湖南长沙 410005)

随着国家节能减排政策的不断深入落实，各类余热发电、垃圾发电、生物质发电、天然气发电等小功率的汽轮发电机组日益增多，小型汽轮发电机基础成为人们关注的重要工程结构。结合笔者多年的工程实践经验，系统总结了小型汽轮发电机基础设计要点，以供设计人员参考。小型汽轮发电机基础一般采用现浇框架式基础，其组成主要包括顶板、框架柱、基础底板(采用桩基时为伐板)、风道板。

1 顶板设计

小型汽轮发电机基础顶板一般由6根柱支撑(单跨三榀)，由于各方向上柱距接近且柱距较小，顶板一般设计成无梁平板结构形式(各柱间设暗梁)，方便施工及螺栓安装。顶板厚度一般按满足质量比和刚度来确定，可取最大柱跨的1/6～1/10，且不应小于柱截面的边长。顶板的外形和受力应简单，尽量采用外形规则的矩形或梯形截面，并宜避免偏心荷载。

顶板的挑台应做成实腹式，其悬出长度不宜大于1.5 m，悬臂支座处的截面高度，不应小于悬出长度0.75倍。顶板四周应留有变形缝与其他结构隔开。汽机底座边缘至顶板边缘的距离不宜小于100 mm。在汽机底座下应预留二次灌浆层，其厚度不宜小于25 mm。二次灌浆层应在设备安装就位并初调后，用微膨胀混凝土或抗收缩高强灌浆料填充密实，且与混凝土基础面结合。基础顶面的二次灌浆层厚度大于50 mm时，可在基础顶面预留直径8 mm～10 mm、间距200 mm～300 mm的插筋，以保证基础混凝土与二次灌浆层结合牢固。基础顶面四周边缘及沟道边，一般可设置50 mm～75 mm的角钢保护，以防止边缘损坏。

2 框架柱设计

柱子一般采用矩形截面，由于柱刚度小可降低基础的基本频率，改善基础的动力特性，因此在满足强度和稳定性要求的前提下宜适当减小柱的刚度。适当调整中间榀柱子的位置可明显改善基础的动力特性，遇汽轮机下方预留大洞时，中间榀柱间可不设拉结暗梁。柱子截面刚度EA宜与其上荷载成相同比例值，以使柱压缩变形相近。柱子的长细比(L0/b)不宜大于14，其中，L0为柱计算长度，按GB 50010-2010表6.2.20-2中的现浇楼盖底层柱确定;b为矩形截面的短边尺寸。柱截面高度尺寸参考值见表1。

表1 柱截面高度尺寸参考值

柱主筋在底板内的锚固:当底板厚度不大于1.2 m时，柱主筋应全部伸至底板底部钢筋网上;当底板厚度大于1.2 m时，柱主筋可只将一半的柱主筋伸至底板底部钢筋网上，另一半在底板内达到直线锚固长度即可。柱主筋在顶板内的锚固:由于顶板一般较厚，大于钢筋的锚固长度，柱主筋可直线锚入顶板内，钢筋伸至顶板顶。直线锚固可避免钢筋过于密集，便于混凝土振捣密实。

汽轮发电机基础施工时，可设置2道～3道施工缝，各缝可设在顶板底、柱脚、地坪(当基础埋深较深时)。施工缝处理方法:预留φ8@200的胡子钢筋，长600 mm，插入300 mm;浇灌前应凿毛混凝土表面，湿润清扫干净后，坐一层掺有胶结剂的水泥净浆。

3 基础底板设计

基组的总重心与基础底面形心宜位于同一竖线上，当不在同一竖线上时，两者之间的偏心距和平行偏心方向基底边长的比值不应超过3%。机组对中要求，可防止机组偏沉，在动力计算中，还可将竖向振动与水平回转耦合振动分别计算，即“对中”可视为上述两类振动互不相关的必要条件。基础底板一般按平板设计，天然基础时，可设计成异形平板，以满足对中要求;桩基础时，一般采用矩形伐板，通过调整桩间距离来满足对中要求。基础底板应有一定的刚度，可嵌固柱子，并将荷载均匀传递给地基，底板的刚度对调整不均匀沉降起一定的作用。底板厚度变化对最大振幅影响较小，设计时可考虑适当减薄，以节约工程造价;底板的厚度，对中转速机组(1 000 r/min＜n≤3 000 r/min)可取基础底板长度的1/15～1/20，对高转速机组(3 000 r/min＜n)可取基础底板长度的1/10～1/15，底板厚度不应小于柱截面的边长，也不应小于800 mm。底板配筋设计:当底板厚度h≤1.2 m时，底板双层双向配筋;当1.2 m＜h≤2 m时，底板中部设一层构造钢筋网φ16～φ20@600～900;当2 m＜h≤3 m时，设两层;当3 m＜h≤4 m时，设三层。

基础应独立布置，底板四周应留有变形缝与其他结构隔开。中间平台宜与基础主体结构脱开，当不能脱开时，在两者连接处宜采取隔振措施。必要时，汽机底板上允许设置加热器平台和地下室楼板的柱子。基础底板的埋深对体系的刚度和阻尼都有影响，埋置基础四周的地基土对提高地基刚度和阻尼有一定的作用。汽机基础及毗邻建筑物基础置于天然地基上，当能满足施工要求时，两者的埋深可不在同一标高上，但基础建成后，基底标高差异部分的回填土必须夯实。

当基础建在高压缩性土地基上时，一般采取人工地基、加大基底面积、地基预压或采用箱形结构底板，加厚底板不能避免产生不均匀沉降。采用人工砂垫层时，需保证施工质量，保证砂垫层高密度压实，防止机器长期振动作用下基底脱空，造成基础偏沉，振动过大。采用毛石混凝土垫层时，须待毛石混凝土终凝后，再浇筑混凝土基础，以保证垫层不参与基础振动。当基础建在湿陷性黄土地基时，需整片换填处理，防止投产后地下管道漏水，导致未处理的黄土地基发生湿陷。为保证机组运行安全，应在运转层和零米层柱上分别设置永久的沉降观测点，并进行沉降观测。沉降观测分五个时间段，包括底板施工完后、基础全部施工完后、机器安装完后、试运行期间、投产后。一旦发现沉降超过警戒值，需立即通知有关单位进行处理。江西省新余市新钢公司烧结余热发电项目25 MW机组汽机底板图见图1。

4 材料及配筋

钢筋宜采用Ⅰ，Ⅱ级钢筋，不宜采用冷轧钢筋。受冲击力较大的部位，宜采用热轧变形钢筋。钢筋连接时不得采用绑扎接头，不宜采用焊接接头，宜优先采用机械连接接头。钢筋的锚固长度可按二级抗震时的锚固长度采用。因基础承受重复荷载作用，基础混凝土强度等级不应低于C30。二次灌浆层应采用具有早强、微膨胀、流动性好的灌浆材料。固定机器设备的锚固螺栓，通常采用预留孔方式，需埋设钢套管。基础各构件的最小配筋率，可按现行钢筋混凝土规范选用，当柱断面较大时，可适当减小。基础顶板的纵、横梁应考虑由于构件两侧温差产生的应力，可在梁两侧分别配置温度钢筋，每侧配筋百分率为0.1%;100 MW及以上机组每侧配筋百分率为0.15%。基础上部纵、横梁及柱子需沿构件外围设有封闭式的箍筋。出线小室墙上有电气瓷瓶穿过时，为防止涡流作用使混凝土中的钢筋受热而变形，应在涡流作用范围(瓷瓶中心往外不小于500 mm半径)内，每根钢筋在交接处应用绝缘材料包扎，以免钢筋受热膨胀，造成混凝土开裂。

图1 江西省新余市新钢公司烧结余热发电项目25 MW机组汽机底板图

5 计算

1)旋转式机器的扰力:P=P0sinωt。其中，P0=meeω2，me为偏心质量，e为偏心距。理论上旋转式机器的转动质量是可以平衡的，实际上由于机器的设计、制造、安装和维修等因素影响，总有不平衡扰力的存在。2)动力计算体系:质量—弹簧—阻尼体系—假定基础为有质量的钢体，地基为无质量的弹簧，并起阻尼器的作用。3)动力计算方法:共振法和振幅法，我国现行GB 50040-96动力机器基础设计规范采用振幅法。4)基础底面地基平均静压力设计值应满足:p≤0.8fak;p=(基础自重+基础底板上回填土重+机器自重+传至基础上的其他荷载标准值)÷基础底板面积。5)对工作转速为3 000 r/min的国产汽轮发电机基础，基础由横向框架与纵梁构成的空间框架且满足以下条件时，可不作动力计算:a.机组功率不大于125 MW，中间框架纵梁Gi≥6Ggi，边框架Gi≥10Ggi;b.机组功率不大于200 MW，中间框架纵梁Gi≥7Ggi，边框架Gi≥12Ggi;Gi为集中到梁中或柱顶的重量(包括机器重);Ggi为作用在基础第i点的机器转子重量，一般为集中到梁中或柱顶的转子重量。

［1］GB 50040-96，动力机器基础设计规范［S］.

［2］GB 50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［3］GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范［S］.

［4］徐 建.建筑振动工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［5］王希成.底板厚度对汽轮机基础动力特性的影响［J］.振动工程学报，1994(2):150-153.

［6］沈 涛，刘欣良.汽轮发电机框架式基础结构配筋问题探讨［J］.武汉大学学报，2005(sup):305-308.