槽式太陽能熱發(fā)電站鏡場內(nèi)小荷載基礎(chǔ)取消二次灌漿的可行性研究

青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司 ■ 馬其森

0 引言

太陽能作為一種清潔可再生能源，在能源戰(zhàn)略中占有重要地位。太陽能熱發(fā)電憑借其可儲熱、可調(diào)峰、可連續(xù)發(fā)電的優(yōu)點，正在成為新能源領(lǐng)域的投資熱點。聚光型熱發(fā)電技術(shù)主要有槽式、塔式、碟式和菲涅耳式4種。其中，槽式聚光技術(shù)是利用槽式拋物面聚光器，將太陽光匯聚在一條線上，在焦線上安裝管狀集熱器，吸收太陽輻射能；眾多槽式聚光器串、并聯(lián)組成了聚光集熱器陣列[1]。集熱器集中布置的區(qū)域被稱為鏡場。

槽式太陽能熱發(fā)電站中有一個一定長度的串聯(lián)管道，連接在槽式聚光器的兩個相鄰回路間，如圖1所示。這類管道的直徑小、荷載小、高度高，適合采用鋼柱支撐；鋼柱基礎(chǔ)采用獨立擴展基礎(chǔ)。

圖1 聚光集熱器回路

在槽式太陽能熱發(fā)電站中，整個鏡場中導熱油管道的長度長、分布廣，布置復雜有序，而串聯(lián)管道的支撐基礎(chǔ)體量小、個數(shù)多，以百千計。此類基礎(chǔ)可考慮使用預制基礎(chǔ)。施工過程中，所有串聯(lián)管道的基礎(chǔ)均需要進行二次灌漿處理，以確保基礎(chǔ)澆注時混凝土與柱腳底板之間緊密連接，而且二次灌漿的施工過程不能通過對基礎(chǔ)混凝土預制而省略。雖然目前尚無針對管道基礎(chǔ)取消二次灌漿的技術(shù)研究，但槽式聚光器的支撐基礎(chǔ)取消二次灌漿已經(jīng)有相關(guān)的工程實踐。而且槽式聚光器的支撐基礎(chǔ)所承受的荷載遠比串聯(lián)管道基礎(chǔ)的荷載要大且復雜，因此，研究小荷載的管道基礎(chǔ)取消二次灌漿，具有相當大的實際意義、經(jīng)濟價值和應用前景。

1 問題分析

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，柱腳底板與混凝土基礎(chǔ)之間采用預埋錨栓進行連接。在施工過程中，由于一次混凝土現(xiàn)場澆注難以控制澆注面的平整度，因此在鋼結(jié)構(gòu)安裝后，柱腳底板與混凝土基礎(chǔ)之間難以緊密貼合。為避免出現(xiàn)此種情況，在基礎(chǔ)澆注過程中，往往采用二次灌漿技術(shù)，利用細石混凝土或特殊灌漿材料，填滿柱腳底極與混凝土基礎(chǔ)之間的空隙，保證二者貼合緊密、傳力順暢，如圖2所示。

圖2 二次灌漿示意圖

基礎(chǔ)澆注過程中，二次灌漿的作用主要體現(xiàn)在：1)防止錨栓被腐蝕；2)提供更均勻可靠的傳遞軸力路徑；3)在不設(shè)置剪鍵的情況下，依靠摩擦力提供抗剪能力。

以上3點也是在取消二次灌漿后需要重點解決的問題。對于錨栓腐蝕的問題，可以采用鍍鋅防腐等措施避免；對于柱腳向下傳遞拉壓力或彎矩的問題，可通過錨栓的抗拉來完成力的傳遞。因此，若取消二次灌漿，需重點關(guān)注錨栓的抗剪能力。錨栓的抗剪能力主要包括受拉和受壓情況下的抗剪性能。

2 中美兩國行業(yè)規(guī)范的對比

我國的GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》表3.4.1-4中表述，錨栓只提供抗拉承載力，這間接說明錨栓不參與抗剪計算。

美國的標準設(shè)計指導手冊《AISC Steel Design Guide 1—Column Base Plates (2nd Edition)》[2]中，提到有3種方法將剪力從柱腳底板傳遞至混凝土基礎(chǔ)上，分別是：1)依靠柱腳底板和混凝土/灌漿層的摩擦力提供抗剪能力；2)通過剪力鍵提供抗剪能力；3)錨栓的抗剪能力。

因此，在美國的標準設(shè)計指導手冊中，柱腳底板上的錨栓是可以參與抗剪的。這就為鏡場小荷載基礎(chǔ)取消二次灌漿設(shè)計，提供了設(shè)計途徑和方法。

3 抗剪錨栓設(shè)計

由于制造和安裝的需要，柱腳底板上的錨栓孔大于錨栓直徑。因此，在承受水平力時，柱腳底板相對于錨栓位置往往會有一定的位移，這就造成了水平力不能均勻地由全部錨栓共同承擔的現(xiàn)象。為降低這種現(xiàn)象導致的計算難度，需要通過一定的措施，以保證水平力由全部錨栓共同承擔。這些措施包括：1)柱腳底板上部的錨栓墊片需要與柱腳底板焊接；2)墊片孔徑應為“錨栓直徑 + 1.6 mm”。

通過以上措施，剪力可由全部錨栓共同承擔。在水平剪力作用下，錨栓應進行壓彎/拉彎計算。

當墊片不與柱腳底板焊接時，需要考慮柱腳底板與錨栓之間的相對位移，由此導致了由最不利側(cè)的兩個錨栓提供抗剪能力。本文對此不進行詳細論述。

4 工程實踐

4.1 背景簡介

現(xiàn)以國外某太陽能熱發(fā)電站的工程實際情況為例，闡述小荷載基礎(chǔ)取消二次灌漿的可行性。該熱發(fā)電站的管道支撐的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 管道支撐的結(jié)構(gòu)形式

由圖3可知，管道支撐鋼柱將在柱底產(chǎn)生彎矩、豎向力和水平雙向的剪力。根據(jù)不同的管道荷載，可計算得出柱腳最不利的荷載組合，如表1所示。本文以這5種管道產(chǎn)生的柱腳最不利荷載組合為例，進行錨栓受力計算。

表1 柱腳最不利荷載組合

4.2 模型建立與分析

綜上所述可以看出，取消二次灌漿的設(shè)計計算，實質(zhì)上是對錨栓在剪力作用下的拉/壓計算。

根據(jù)柱腳底板和錨栓的位置關(guān)系，利用SAP2000建立分析模型進行模擬計算。其中，錨栓采用一定直徑的圓形截面，以直徑24 mm進行計算；材料及長度均按照工程實際進行建模。柱腳底板采用殼單元，厚度及材料按照工程實際進行建模。由于本工程中管道荷載小，因此柱腳采用4根錨栓進行計算。

錨栓底部嵌入混凝土，因此可以將錨栓底部設(shè)置為固結(jié)支座。柱腳底板按照荷載作用點和連接點進行分隔。總體模型如圖4所示。

圖4 柱腳底板與錨栓的SAP2000模型

向柱腳底板的中心點施加表1中5種最不利荷載組合。通過模型中的柱腳底板(紅色)殼單元，向錨栓(藍色)傳遞力，從而對錨栓進行受力分析，最終結(jié)果如圖5所示(為顯示方便，隱去紅色底板)。

圖5 5種荷載組合下錨栓應力比情況

由計算結(jié)果可知，1#～3#荷載組合下錨栓的應力比小于1，因此通過了錨栓的剪壓設(shè)計計算；由于4#和5#荷載組合下錨栓的彎矩和剪力大，在不利側(cè)的錨栓產(chǎn)生了較大的應力，結(jié)果顯示為應力比超限(＞1)，不能通過剪壓設(shè)計計算。通過對錨栓直徑和材料進行修改，利用較大直徑的錨栓和高強度的材料，結(jié)果顯示可以通過相關(guān)設(shè)計計算。

因此，根據(jù)美國標準進行建模分析后發(fā)現(xiàn)，小荷載的管道基礎(chǔ)取消二次灌漿后，錨栓可抵抗適當?shù)募袅Α?/p>

5 基礎(chǔ)抗剪介紹

在美國的標準設(shè)計指導手冊中，對取消二次灌漿后基礎(chǔ)的抗剪設(shè)計進行了一系列的規(guī)定，對錨栓的埋設(shè)位置有一定要求，并指出需要進行基礎(chǔ)的抗劈裂計算。

混凝土基礎(chǔ)的抗劈裂計算公式經(jīng)簡化后，混凝土抗劈裂的名義值Vcb可表示為：

式中，Av為錨栓劈裂區(qū)域面積；Avo為單根錨栓的劈裂區(qū)域核心區(qū)的面積，大小為4.5c12；ψ6為當基礎(chǔ)側(cè)面保護層厚度影響劈裂核心區(qū)大小時，對混凝土抗劈裂能力的調(diào)整系數(shù)，一般可取1.0；do為錨栓直徑；fc′為混凝土抗壓強度；c1為水平力荷載方向上，錨栓到混凝土邊緣的距離；系數(shù)10.4需要在英制單位下使用。

當c1足夠大時，混凝土劈裂便不再作為錨栓設(shè)計時的控制條件，其控制條件變?yōu)殄^栓的拉剪和壓剪計算。

單根錨栓劈裂區(qū)域示意圖如圖6所示。

圖6 單根錨栓劈裂區(qū)域示意圖

混凝土基礎(chǔ)的抗劈裂能力計算，僅在不配筋混凝土中需要進行檢驗。在配筋混凝土中，只需要采取一定的構(gòu)造措施保證剪力傳遞即可。其構(gòu)造措施與國標類似：1)錨栓位置需在短柱的角筋核心區(qū)內(nèi)部；2)需在短柱頂部130 mm范圍內(nèi)布置水平向3層直徑10 mm的鋼筋網(wǎng)片 或2層直徑12 mm的鋼筋網(wǎng)片[3]。

6 小結(jié)

對于配筋混凝土基礎(chǔ)，按照構(gòu)造要求設(shè)置鋼筋網(wǎng)片、將墊片與柱腳底板焊接、墊片孔徑略大于螺栓直徑等措施可以取消混凝土基礎(chǔ)的二次灌漿，但同時錨栓需要進行壓彎/拉彎驗算，保證錨栓的抗剪性能。需要注意的是，錨栓的抗剪能力有限，因此，外荷載不能過大是取消基礎(chǔ)二次灌漿設(shè)計的前提條件。在美國的標準設(shè)計指導手冊中，推薦在抗剪計算中，錨栓的最大直徑不宜超過32 mm，更加限制了在取消基礎(chǔ)二次灌漿設(shè)計時外荷載的量級。

對于鏡場管道支撐基礎(chǔ)來說，其管道荷載較小，為取消二次灌漿設(shè)計提供了前提條件。在滿足相關(guān)構(gòu)造措施和錨栓計算后，可以取消二次灌漿，從而節(jié)省了大量的灌漿施工作業(yè)，對工程應用具有非常實際的經(jīng)濟效益。

7 結(jié)論

本文以國外某太陽能熱發(fā)電站的工程實際情況為例，利用SAP2000建立分析模型，論證了小荷載管道基礎(chǔ)取消二次灌漿的可行性，從而節(jié)省了大量的灌漿施工作業(yè)。但以上結(jié)論是以鏡場管道支撐基礎(chǔ)荷載較小為前提條件的，在美國的標準設(shè)計指導手冊中，推薦在抗剪計算中錨栓的最大直徑不宜超過32 mm，更加限制了在取消二次灌漿設(shè)計時外荷載的量級。