動力（燃機）基礎設計中的一些思考

計 光，張代剛，劉 斌

（中機國能電力工程有限公司，上海 200061）

0 引言

煉鋼工藝中會產生大量低熱值的焦爐煤氣和高爐煤氣，某鋼鐵集團公司為了充分利用這些能源資源，決定以節(jié)余的焦爐煤氣和高爐煤氣為主燃料，采用高效的燃氣—蒸汽聯合循環(huán)發(fā)電機組建設自備電廠，實現總廠區(qū)將煤氣放散為零的節(jié)能減排目標。

該項目采用6臺46.6 MW的燃機，3臺42.6 MW的汽輪機。項目分成三個單元，每個單元包括2臺煤氣壓縮機，2臺燃氣輪發(fā)電機組和2臺余熱鍋爐，配套1臺蒸汽輪發(fā)電機組。其中作為燃機電廠的核心設備燃機自重大、運行時轉速高，因此對土建基礎的動力性能有很高的要求。燃機運行的轉速大于3 000 r／min，按照《動力機器基礎設計規(guī)范》（GB 50040—1996）（以下簡稱《動規(guī)》）規(guī)定，動力計算和構造按活塞式壓縮機基礎的設計規(guī)定來考慮，并采用大塊式基礎。但是燃機電廠采用大塊式混凝土，目前的動力基礎設計無詳細的動力計算方法，配筋無明確標準，設計出的動力基礎并不一定具有良好的動力特性，或者出現嚴重浪費的現象。

本文將結合該項目的燃機基礎設計，分析和總結大塊式混凝土動力基礎的設計、動力計算及結構配筋的要點。

1 燃機基礎布置及荷載

為了方便設計和施工，基礎的形狀最好接近長方體，基礎的大小可以根據設備的重量確定。該項目的燃機設備約重100 t，發(fā)電機設備約重87 t。

塊式基礎計算把基礎看成為剛體，基礎各部件之間基本上沒有相對變形，基礎配筋僅僅是構造需要。當基礎體積大于40 m3時，就應沿基礎四周和頂、底面配置鋼筋網，起到在設備安裝時保護混凝土表面的作用，本項目的燃機基礎體積為375 m3，所以在基礎四周和頂、底面配置直徑為14 mm的鋼筋網，網間距為200 mm，在板厚中部也可以加設體積配筋，構造鋼筋網采用直徑為14～20 mm的鋼筋網，間距600～900 mm。

2 既定方案動力計算的必要性檢驗

燃氣輪機的基礎由大塊式混凝土基礎、濕陷性黃土地基（采用灰土墊層換填）組成。大塊式基礎動力計算比較復雜，一般要根據負荷要求，用《動規(guī)》的“簡化計算”對基礎的大小及形狀進行計算。但是由于種種原因，該項目的基礎已經確定，因此設計工作變成了一個驗算指定尺寸的大塊式動力基礎是否滿足規(guī)范要求的問題。不過，根據《動規(guī)》4.5.1條要求，如果基礎的質量大于設備重量的5倍，同時基底平均靜壓力小于地基承載力的0.5倍，基礎的設計可以不做動力計算。因此設計工作首先是要判斷這個既定方案是否必須驗證。

2.1 承載力驗算

施工場地是濕陷性黃土地基，按照既定方案，燃氣輪機的大塊混凝土層和濕陷性黃土地基之間采用灰土墊層作為持力層。燃氣輪機混凝土基礎的擾力方向長（L）4.00 m，長度（La）22.40 m，高（h）4.19 m，混凝土的密度（γ）為2 540 kg／m3，由此可以得到基礎的底面積（A）為89.60 m2，體積為375.02 m3。因此混凝土基礎的質量為952.50 t，與設備自重100 t相比足夠有余。

本工程為濕陷性黃土地基，采用灰土墊層作為持力層，按3.5 m深度修正，根據《建筑地基基礎設計規(guī)范》計算承載力為254 k Pa。地基承載力的動力折減系數為0.8，地基的設計承載力為203 k Pa，大于基底平均靜壓力162 k Pa，因此驗算結果表明該地基滿足承載力要求。

2.2 灰土墊層下臥層驗算

通過計算可以得到，基礎底部換填3 m深的灰土，墊層底面寬度為7.190 m；。取1 m長，進行灰土墊層下臥層驗算：灰土墊層下臥層的承載力為291.0 k Pa，小于墊層底面承載力特征值295.8 k Pa。驗算表明灰土墊層下臥層設計合理。

3 動力復算

根據《動規(guī)》4.5.1條的規(guī)定，只有當基底平均靜壓力小于地基承載力的0.5倍，工程項目才可以不作動力計算。本項目的基底平均靜壓力為162.0 k Pa，大于地基承載力295.8 kPa的0.5倍，因而不滿足該條件，該方案必須進行動力計算。《動規(guī)》規(guī)定，操作層設在廠房底層的大塊式基礎，在水平擾力下可采用簡化計算公式驗算水平振動線位移，但要求基礎必須設計成扁平型，即L／h≥1.5。但是該項目的基礎方案已定，基礎長4.00 m，高4.19 m，L／h小于1，不滿足扁平的要求，如果采用簡化計算方法結果并不可靠，因此只能采用詳細的動力計算來驗證基礎的設計。動力復算的內容主要為通過計算地基土的主要動力特性參數（包括剛度、阻尼比、地基土參振質量）、擾力，繼而算出基礎頂面控制點的總振動線位移、總振動速度。

3.1 基礎的振動組成和特征

動力計算首先要分析燃氣輪發(fā)電機組基礎的振動組成。一般動力基礎的振型由豎向振動、扭轉振動、x－Ф向耦合振動、y－θ向耦合振動組成。其中，豎向振動為基組（指動力機器基礎和基礎上的機器、附屬設備、填土的總稱）在通過其重心0的豎向擾力Pz的作用下，產生沿z軸的豎向振動；扭轉振動為基組在扭轉擾力矩Mψ和水平擾力Px沿y軸向偏心作用下，產生繞z軸的扭轉振動；x－Ф向耦合振動為基組在水平擾力px和豎向擾力Pz沿x向偏心作用下，產生x向水平、繞y軸回轉的耦合振動；y－θ向耦合振動組成為基組在回轉力矩Mθ和豎向擾力Pz沿y向偏心距作用下，產生y向水平、繞x軸回轉的耦合振動。

發(fā)電機產生一諧擾力，燃機產生二諧擾力，而作為旋轉式動力基礎，它們的振動，可以分解為豎向振動及x－Φ向耦合振動。

根據《動規(guī)》要求，基礎頂面控制點（大塊式基礎一般取基礎頂面角點）x方向和z方向的總振動線位移不能大于0.02 mm，z方向的總振動速度不得大于6.3 mm／s。

3.2 地基土的主要動力特性參數

根據業(yè)主提供有關基礎的數據：基礎擾力作用線高出基礎頂面h0為2.159 m；基礎重心至基礎頂面的距離h1為2.09 m；基礎重心至基礎底面的距離h2為2.09 m：永久荷載為1 396 k N。根據地質勘察報告查得地基土特性，地基土的密度ρ為1.8 t／m3。

1）阻尼比 基組質量m為972 t，基組質量比：

天然地基豎向阻尼比：

水平回轉向，扭轉向阻尼比ζxφ1，ζxφ2和ζψ都為天然地基豎向阻尼比的一半，即0.069。另外，可變荷載208 k N；偶然荷載（短路力矩）1 138 k N。

2）剛度 為了計算基礎的各種剛度，必須計算地基的抗剪剛度系數、抗彎剛度系數，以及基礎底面通過形心軸的慣性矩Iy。

地基的抗剪剛度系數Cx和抗彎剛度系數Cφ：

式中：Cz為天然地基的抗壓剛度系數，根據《建筑振動工程手冊》表2.2.1，為45 MN／m3

可以得到地基的抗剪剛度系數Cx為31.5 MN／m3；抗彎剛度系數Cφ為96.8 MN／m3。

基礎底面通過形心軸的慣性矩Iy：

式中：La為燃氣輪機混凝土基礎的長度，取22.40 m；L為擾力方向長度，取4.00 m。

可以得到基礎底面通過形心軸的慣性矩Iy為119 m2。

地基的抗壓剛度Kz，抗剪剛度Kx和抗彎剛度Kφ：

式中：A為基礎的底面積，取89.60 m2。

可以得到：地基抗壓剛度Kz為4 032 MN／m；抗剪剛度Kx為2 822 MN／m；抗彎剛度Kφ為11 558 MN·m。

3.3 擾力的計算

由于燃機及發(fā)電機產生的擾力為豎向擾力及水平擾力，因此將振動分解為豎向振動，以及x－Φ向耦合振動，根據分解出來的兩部分振動的計算線位移疊加，即為《動規(guī)》要求的基礎頂面控制點x方向和z方向的總振動線位移。

1）發(fā)電機水平擾力

式中：Wg1為發(fā)電機轉子重量，取21.9 t；n1為發(fā)電機轉速，取3 000 r／min。

發(fā)電機垂直擾力：

2）燃機產生的擾力

燃機水平擾力：

式中：Wg2為燃機轉子的重量，取17 t；n2為燃機轉速，取5 163 r／min。

燃機垂直擾力：

4 總振動線位移的計算

4.1 豎向振動

發(fā)電機豎向振動線位移（一諧擾力）：

燃機豎向振動線位移（二諧擾力）：

式中：Pz1為110 k N；Pz2為192 k N；Kz為4 032 MN／m；ζz為0.138；ω發(fā)為發(fā)電機擾力的圓頻率，取314 r／s；ω燃為燃機擾力的圓頻率，取541 r／s；mz為基礎質量、機器重量與回填土重量之和，取1 114 t；ωnc為振動固有圓頻率，取60 r／s。

可以得到發(fā)電機豎向振動線位移1.034μm，燃機豎向振動線位移0.597μm。

4.2 基組x－Φ向耦合振動

x－Φ向耦合振動的計算，包括各種振型固有頻率的計算。

1）固有頻率 基組繞y軸回轉振動固有圓頻率ωnФ：

式中：Kφ為11 558 MN·m；Kx為2 822 MN／m；h2為2.09 m；Jy為基礎繞縱向中心軸的轉動慣量，取3 113 t·m2。

代入數據，可以得到基組繞y軸回轉振動固有圓頻率ωnφ為87.66 r／s。

這樣，第一振型固有頻率：

式中：ωnx為基組沿x向水平振動固有圓頻率，取50.33 r／s；mx為基組水平回轉振動的總質量，1 114 t。

代入數據，可以得到第一振型固有頻率。

同樣，對于第二振型固有頻率：

代入數據，可以得到第二振型固有頻率ωnφ2為95.89 r／s。

2）燃機、發(fā)電機轉動中心距基組重心的距離

由于基礎重心至基礎底面的距離h2為2.09 m，因此在第一振型中，燃機、發(fā)電機轉動中心距基組重心的距離為：

在第二振型中：

3）一諧擾力（發(fā)電機擾力）

第一振型總擾力矩：

第二振型總擾力矩：

第一振型回轉角位移：

第二振型回轉角位移：

基礎頂面控制點豎向振動線位移：

式中：Ix為基礎變控制點至基礎縱向軸線的水平距離。

基礎頂面控制點x向水平振動線位移：

4）二諧擾力（燃機擾力）

第一振型總擾力矩：

第二振型總擾力矩：

第一振型回轉角位移：

第二振型回轉角位移：

基礎頂面控制點豎向振動線位移：

基礎頂面控制點x向水平振動線位移：

將以上所計算的振動位移及速度通過均方根值疊加，因沒有考慮土的參振質量，所以應乘以計算系數：

這樣，基礎頂面控制點x方向的總振動線位移：

z方向的總振動線位移：

可以看到，基礎頂面控制點x方向和z方向的總振動線位移都小于0.02 mm，振動線位移滿足《動規(guī)》要求

4.3 總振動速度的計算

基礎頂面控制點x方向的總振動速度：

z方向的總振動速度：

可以看到，基礎頂面控制點x和z方向的總振動速度均小于《動規(guī)》要求的6.3 mm／s，因此滿足《動規(guī)》要求。

5 結論與建議

總體來說，現在的火電廠對施工完成后的設備檢測相對較為關心，但很少對動力基礎的振動位移、振動速度作出針對性的測量，一般僅需要人的直觀感受滿足即可。因此，本工程未作動力檢測，無法給出具體參數。項目于2005年底完成，已經運行7年，實際結果表明，基礎的動力基礎情況良好，現場幾乎沒有異常振動。

本工程的基礎大小由于種種原因已經確定，設計工作變成了一個驗算指定尺寸的大塊式動力基礎是否滿足規(guī)范要求的問題。這種指定結構后，要求設計人員根據設計規(guī)程要求，驗證既定方案合理性的做法經常出現。因此本文的一些方法，可以為同類的設計工作作為參考。根據多年來設計工作的實踐經驗，對動力（燃機）基礎設計提出以下建議：

1）為了大塊式混凝土動力基礎設計、計算的方便及動力設備運行的安全，首先應設計出合理的基礎形狀及尺寸，盡量滿足無需動力計算的條件；如果無法滿足要求，宜想方設法使基礎滿足簡化動力計算的條件。這樣可以省略很多的繁瑣計算。復雜的動力計算不僅影響設計的效率，而且很容易出現差錯。

2）構造方面，應根據基礎的實際需要配筋。20世紀70年代國內對某廠紅旗牌壓縮機裝配式基礎的表面鋼筋進行過應力測試，測得70～140 N／cm2，可以看出，表面鋼筋均為構造需要。

3）《動規(guī)》4.5.1條中，將大塊式基礎的質量超過設備自重5倍作為一個可不作動力計算的下限要求不盡合理。對于旋轉式動力基礎，其振動的來源就是轉子部分的高速旋轉。設備的定子、罩殼等均可視為基礎的一部分，是起到減震的作用。因此，應該將設備基礎與設備定子的總重超過設備轉子重的若干倍數作為一個設計界限較為合理。

4）對大型的設備基礎，最初運行后的一段時間內，應做動力檢測驗證設計的合理性，并應將動力檢測報告作為工程驗收的必要條件。