玻璃厂烟囱桩基础设计

高媛媛

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

一般项目的烟囱可参照国标图集05G212直接选用，玻璃厂项目中的烟囱因其最终高度需要综合以下几个要素考虑：①保证地面绝对最大浓度不超标；②保证烟囱的负压；③避免烟流下洗现象；④不能小于地方环境保护行政主管部门根据具体情况规定的烟囱高度最低限值；最终确定的高度一般会超出国标图集的范围（烟囱高度≤100 m），故玻璃厂项目中的烟囱需要重新设计。参照以往的设计经验，高烟囱的基础弯矩要大于基础承受的竖向力几倍至十几倍之多，烟囱的基础部分设计就显得尤为重要。常见的烟囱基础形式有：刚性基础、板式基础、壳体基础和桩基础等。当工程项目所在场地的地基存在下列情况之一宜优先考虑采用桩基础：①震陷性、湿陷性、膨胀性、冻胀性或侵蚀性等不良土质；②上覆土层为强度低、压缩性高的软弱土层，不能满足强度和变形要求时；③在抗震设防地区地基持力层范围内有可液化土层时。

1 烟囱桩基础竖向承载力计算

1.1 烟囱桩基础荷载效应标准组合竖向及水平向承载力

①轴心竖向力计算公式：

式中：Nk——荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，基桩或复合基桩的平均竖向力；

Fk——相应于荷载效应标准组合时作用于桩基承台顶面的竖向力（kN）；

Gk——桩基承台及承台上土自重之和的标准值；

n——桩数；

Ra——单桩承载力特征值（kN）。

②偏心荷载作用，以承台中心对称布置桩时的计算公式：

式中：Nik——相应于荷载效应标准组合时，第i根桩的竖向力（kN）；

Fk——相应于荷载效应标准组合时作用于桩基承台顶面的竖向力（kN）；

Gk——桩基承台及承台上土自重之和的标准值；

n——桩数；

Mk——相应于荷载效应标准组合时作用于桩基承台底面的弯矩值（kN·m）；

ri——第i根桩所在圆的半径（m）；j——第j根桩 ；

rj——第j根桩所在圆的半径（m）；Nkmax——相应于荷载效应标准组合偏心竖向力作用下，桩顶最大竖向力（kN）；

Ra——单桩承载力特征值（kN）。烟囱属于高柔、悬臂的高耸结构，在风荷载作用、地震作用、温度作用及由地震作用、风荷载、日照和基础倾斜引起的附加弯矩作用下，计算得到的烟囱根部的弯矩值一般较大，因此，偏心荷载作用一般起控制作用。

③水平力作用时的公式：

式中：Hik——相应于荷载效应标准组合时作用于第i基桩的水平力（kN）；

Hk——相应于荷载效应标准组合时作用于桩基承台底面的水平力（kN）；

n——桩数；

Rh——单桩水平承载力特征值（kN）。影响单桩水平承载力特征值的因素包括桩身的假面抗弯刚度、材料强度、桩侧的土质条件、桩的入土深度、桩顶的约束条件等，单桩水平承载力的大小应该通过现场单桩水平承载力试验确定，最后对工程桩进行静载试验检测是否满足设计要求。

1.2 烟囱桩基础地震作用和荷载效应标准组合竖向承载力

烟囱桩基础地震作用和荷载效应标准组合竖向承载力计算应满足：

①轴心竖向力计算公式：

式中：NEk——地震作用效应和荷载效应标准组合下，桩顶平均竖向力（kN）；

Ra——单桩承载力特征值（kN）。②偏心荷载作用，以圆形承台中心对称布置桩时的计算公式：

（5）

式中：NEkmax——地震作用效应和荷载效应标准组合下，桩顶最大竖向力（kN）；

Ra——单桩承载力特征值（kN）。烟囱桩基础设计中一般不考虑桩基受拉，在最不利荷载组合内力条件下一般也不允许桩承受拔力，目的是提供足够的安全储备。

2 烟囱桩基础设计中桩的布置

烟囱桩基础设计中环形承台布桩和圆形承台布桩示意图见图1和图2。

（1）桩的平面布置应以承台平面中心点为圆心，呈放射状布置，并应遵守内疏外密的原则，且优先考虑对称布置在烟囱环状筒壁的两侧。

在总桩数n和总圈数m确定的情况下，布桩时最外侧圆周半径ri越大，在满足桩间距要求的情况下布桩数量越多，可提供的抵抗矩越大（反之可提供的抵抗矩越小），对结构的整体稳定越有利；离承台圆心较近的内侧圆环上的桩，可提供的抵抗矩的值明显低于离承台圆心较远的外侧圆环上的桩的抵抗矩值；离承台圆心较近的桩，以提供竖向承载力为主，抵抗弯矩的作用次之；结合烟囱的结构受力特点，布桩时可适当减小外侧圆周上的布桩间距，达到密布的目的；增大内侧圆周上的布桩间距，达到疏布的目的。

（2）桩布置的总圈数不宜少于两道。当单圈布桩时，群桩的整体性较差。桩布置的总圈数也不宜过多，否则会增加基础承台的面积，增加钢筋用量。布桩时，每道圆环上的总桩数宜为偶数或4的倍数，这样桩的排布比较整齐均匀。由于桩的总圈数根据桩间距及单桩承载力特征值来确定，所以在设计时，可通过调整单桩承载力特征值和桩间距来调整桩的圈数，以达到较为合理的布桩形式。

（3）当单桩承载力特征值Ra较高时，布置较少的桩即可满足竖向轴心荷载和偏心荷载的桩基承载力计算，所以桩基础承台此时优先考虑设计成环状。

（4）如果技术条件不允许，不能通过改变桩型或加大桩长及增大桩直径等来提高单桩承载力特征值（即单桩承载力特征值Ra较低），为满足承载力计算需要布置较多的桩，此时，考虑环形承台布桩则可造成桩间距不满足规范要求的最小桩间距要求，所以桩基础承台需要按圆形设计。

（5）当地下水位较高时，为避免烟囱内部进水，宜采用圆形桩基础。

（6）桩间距需满足JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》中桩的最小间距要求，最大桩间距应控制在6倍桩径的范围内，以满足群桩的整体性要求。

3 烟囱桩基础设计中承台的埋深

烟囱基础的埋置深度取决于所建项目的工程地质条件及烟囱筒身的高度，烟囱基础的埋置深度应该控制在一个合理的范围内，其主要目的是有利于吸收地震能量和风能量，减小地震及风荷载作用对上部结构的破坏，保证结构的整体稳定性。由于国家排放标准的提高，现阶段玻璃厂项目超过100 m的钢筋混凝土烟囱很常见，但由于国家标准图集更新相对滞后，超过100 m的钢筋混凝土烟囱不在国家标准图集范围内，烟囱基础的埋置深度在《烟囱设计规范》《高耸结构设计规范》《构筑物抗震规范》等相关规范中也没有明确的规定，参照烟囱国家标准图集（05G212）中的相关数据（表1）可知，钢筋混凝土烟囱的深高比随烟囱高度增加逐渐减小。

表1 烟囱国家标准图集（05G212）中基础的埋置深度d

依照烟囱国家标准图集（05G212）中的相关数据，超过100 m的钢筋混凝土烟囱，其深高比一般建议控制在1/25～1/35，参照表2钢筋混凝土烟囱基础的最小埋置深度d，选取基础的最小埋置深度。

表2 钢筋混凝土烟囱基础的最小埋置深度d

4 烟囱桩基础设计中承台的设计

烟囱的桩基础承台应具有足够大的刚度及强度，同时应满足建筑桩基技术规范的相关要求：如保证中等直径的桩顶嵌入承台内的长度≮50 mm、大直径桩（桩直径≥800 mm）≮100 mm，桩顶纵向主筋锚入承台的最小锚入长度≮35d（d为钢筋直径）等，以便使各桩通过承台连成整体，可以通过承台把烟囱筒壁荷载传递给各桩，以保证群桩的协调工作。

（1）承台外形尺寸宜满足《烟囱设计规范》6.5.1板式基础合理外形尺寸要求；

（2）承台配筋应计算确定；

（3）当承台底板的厚度＞2000 mm时，宜在板厚中间部位设置温度应力钢筋，减少大体积混凝土温度收缩的影响，并提高底板的抗剪承载力。

（4）相较于圆形承台，环形承台混凝土用量降低、钢筋用量减少，可以有效降低造价。 同时由于环形承台规避了烟囱中部的高温区，基础的温度应力可大大降低，所以烟囱的桩基础承台宜优先考虑环形。

5 烟囱桩基础设计中桩型选择

在烟囱桩基础设计中，可采用预制钢筋混凝土桩、混凝土灌注桩和钢桩。桩型、桩的横断面尺寸及桩端持力层的选择应综合计入地质情况、施工条件、施工工艺、建筑场地环境等因素，并应充分利用各桩型特点以满足安全、经济及工期等方面的要求。

6 烟囱桩基础设计实例

已知条件：本场地有大面积平均厚度约15 m的填土；烟囱总高度120 m；中间设置隔烟墙，自重约为1400 kN；承台底标高-5.0 m，烟囱筒壁根部外侧半径R0＝6.110 m，烟囱筒壁传给基础的内力组合值详见电算结果表3。

表3 烟囱根部内力电算结果

方案一：采用预应力实心方桩（边长为450 mm），桩间距1.8 m，单桩承载力特征值750 kN；基础承台半径R1＝9.5 m，基础及上覆土的重度gm＝22 kN/m2，采用圆形承台布桩。方案一圆形承台布桩示意图见图3。

①布桩：

合计：共布桩n＝100根，m＝5

②基础及上覆土自重：

③隔烟墙重：约为1400 kN④承载力计算：

选用正常使用极限状态标准组合中的“组合1”：

满足＜1.2Ra＝900 kN

桩设计可不考虑抗拔。

方案二：采用直径为800 mm的灌注桩，桩间距2.4 m，单桩承载力特征值可提高到1250 kN；采用环形承台布桩，基础承台外侧半径R1＝9.5 m，基础承台内侧半径R2＝3.4 m，基础及上覆土的重度gm＝22 kN/m2。方案二环形承台布桩示意图见图4。

①布桩：

③隔烟墙重：约为1400 kN

④承载力计算：

选用正常使用极限状态标准组合中的“组合1”：

桩设计可不考虑抗拔。

表4 圆形与环形桩基承台用量

通过两个方案的比较可知：桩基础环形承台混凝土用量较圆形承台可减少约13%，布桩总数减少约50%，造价降低明显。

7 结语

在玻璃厂烟囱桩设计中，其基础部分设计尤为重要。在满足安全、经济及工期等方面的要求下，通过设计实例分析比较了桩基础圆形和环形布桩的受力合理性和建设经济性的异同，为以后玻璃厂项目中的烟囱基础设计提供参考和借鉴。