計(jì) 光，張代剛，劉 斌

（中機(jī)國(guó)能電力工程有限公司，上海 200061）

0 引言

煉鋼工藝中會(huì)產(chǎn)生大量低熱值的焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣，某鋼鐵集團(tuán)公司為了充分利用這些能源資源，決定以節(jié)余的焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣為主燃料，采用高效的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組建設(shè)自備電廠，實(shí)現(xiàn)總廠區(qū)將煤氣放散為零的節(jié)能減排目標(biāo)。

該項(xiàng)目采用6臺(tái)46.6 MW的燃機(jī)，3臺(tái)42.6 MW的汽輪機(jī)。項(xiàng)目分成三個(gè)單元，每個(gè)單元包括2臺(tái)煤氣壓縮機(jī)，2臺(tái)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組和2臺(tái)余熱鍋爐，配套1臺(tái)蒸汽輪發(fā)電機(jī)組。其中作為燃機(jī)電廠的核心設(shè)備燃機(jī)自重大、運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速高，因此對(duì)土建基礎(chǔ)的動(dòng)力性能有很高的要求。燃機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速大于3 000 r／min，按照《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50040—1996）（以下簡(jiǎn)稱《動(dòng)規(guī)》）規(guī)定，動(dòng)力計(jì)算和構(gòu)造按活塞式壓縮機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)規(guī)定來(lái)考慮，并采用大塊式基礎(chǔ)。但是燃機(jī)電廠采用大塊式混凝土，目前的動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)無(wú)詳細(xì)的動(dòng)力計(jì)算方法，配筋無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出的動(dòng)力基礎(chǔ)并不一定具有良好的動(dòng)力特性，或者出現(xiàn)嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)象。

本文將結(jié)合該項(xiàng)目的燃機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，分析和總結(jié)大塊式混凝土動(dòng)力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、動(dòng)力計(jì)算及結(jié)構(gòu)配筋的要點(diǎn)。

1 燃機(jī)基礎(chǔ)布置及荷載

為了方便設(shè)計(jì)和施工，基礎(chǔ)的形狀最好接近長(zhǎng)方體，基礎(chǔ)的大小可以根據(jù)設(shè)備的重量確定。該項(xiàng)目的燃機(jī)設(shè)備約重100 t，發(fā)電機(jī)設(shè)備約重87 t。

塊式基礎(chǔ)計(jì)算把基礎(chǔ)看成為剛體，基礎(chǔ)各部件之間基本上沒(méi)有相對(duì)變形，基礎(chǔ)配筋僅僅是構(gòu)造需要。當(dāng)基礎(chǔ)體積大于40 m3時(shí)，就應(yīng)沿基礎(chǔ)四周和頂、底面配置鋼筋網(wǎng)，起到在設(shè)備安裝時(shí)保護(hù)混凝土表面的作用，本項(xiàng)目的燃機(jī)基礎(chǔ)體積為375 m3，所以在基礎(chǔ)四周和頂、底面配置直徑為14 mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)間距為200 mm，在板厚中部也可以加設(shè)體積配筋，構(gòu)造鋼筋網(wǎng)采用直徑為14～20 mm的鋼筋網(wǎng)，間距600～900 mm。

2 既定方案動(dòng)力計(jì)算的必要性檢驗(yàn)

燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)由大塊式混凝土基礎(chǔ)、濕陷性黃土地基（采用灰土墊層換填）組成。大塊式基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算比較復(fù)雜，一般要根據(jù)負(fù)荷要求，用《動(dòng)規(guī)》的“簡(jiǎn)化計(jì)算”對(duì)基礎(chǔ)的大小及形狀進(jìn)行計(jì)算。但是由于種種原因，該項(xiàng)目的基礎(chǔ)已經(jīng)確定，因此設(shè)計(jì)工作變成了一個(gè)驗(yàn)算指定尺寸的大塊式動(dòng)力基礎(chǔ)是否滿足規(guī)范要求的問(wèn)題。不過(guò)，根據(jù)《動(dòng)規(guī)》4.5.1條要求，如果基礎(chǔ)的質(zhì)量大于設(shè)備重量的5倍，同時(shí)基底平均靜壓力小于地基承載力的0.5倍，基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)可以不做動(dòng)力計(jì)算。因此設(shè)計(jì)工作首先是要判斷這個(gè)既定方案是否必須驗(yàn)證。

2.1 承載力驗(yàn)算

施工場(chǎng)地是濕陷性黃土地基，按照既定方案，燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)混凝土基礎(chǔ)的擾力方向長(zhǎng)（L）4.00 m，長(zhǎng)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(chǔ)的底面積（A）為89.60 m2，體積為375.02 m3。因此混凝土基礎(chǔ)的質(zhì)量為952.50 t，與設(shè)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(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算承載力為254 k Pa。地基承載力的動(dòng)力折減系數(shù)為0.8，地基的設(shè)計(jì)承載力為203 k Pa，大于基底平均靜壓力162 k Pa，因此驗(yàn)算結(jié)果表明該地基滿足承載力要求。

2.2 灰土墊層下臥層驗(yàn)算

通過(guò)計(jì)算可以得到，基礎(chǔ)底部換填3 m深的灰土，墊層底面寬度為7.190 m；。取1 m長(zhǎng)，進(jìn)行灰土墊層下臥層驗(yàn)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(yàn)算表明灰土墊層下臥層設(shè)計(jì)合理。

3 動(dòng)力復(fù)算

根據(jù)《動(dòng)規(guī)》4.5.1條的規(guī)定，只有當(dāng)基底平均靜壓力小于地基承載力的0.5倍，工程項(xiàng)目才可以不作動(dòng)力計(jì)算。本項(xiàng)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(jìn)行動(dòng)力計(jì)算?！秳?dòng)規(guī)》規(guī)定，操作層設(shè)在廠房底層的大塊式基礎(chǔ)，在水平擾力下可采用簡(jiǎn)化計(jì)算公式驗(yàn)算水平振動(dòng)線位移，但要求基礎(chǔ)必須設(shè)計(jì)成扁平型，即L／h≥1.5。但是該項(xiàng)目的基礎(chǔ)方案已定，基礎(chǔ)長(zhǎng)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(jiǎn)化計(jì)算方法結(jié)果并不可靠，因此只能采用詳細(xì)的動(dòng)力計(jì)算來(lái)驗(yàn)證基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。動(dòng)力復(fù)算的內(nèi)容主要為通過(guò)計(jì)算地基土的主要?jiǎng)恿μ匦詤?shù)（包括剛度、阻尼比、地基土參振質(zhì)量）、擾力，繼而算出基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)的總振動(dòng)線位移、總振動(dòng)速度。

3.1 基礎(chǔ)的振動(dòng)組成和特征

動(dòng)力計(jì)算首先要分析燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的振動(dòng)組成。一般動(dòng)力基礎(chǔ)的振型由豎向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、x－Ф向耦合振動(dòng)、y－θ向耦合振動(dòng)組成。其中，豎向振動(dòng)為基組（指動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)和基礎(chǔ)上的機(jī)器、附屬設(shè)備、填土的總稱）在通過(guò)其重心0的豎向擾力Pz的作用下，產(chǎn)生沿z軸的豎向振動(dòng)；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為基組在扭轉(zhuǎn)擾力矩Mψ和水平擾力Px沿y軸向偏心作用下，產(chǎn)生繞z軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；x－Ф向耦合振動(dòng)為基組在水平擾力px和豎向擾力Pz沿x向偏心作用下，產(chǎn)生x向水平、繞y軸回轉(zhuǎn)的耦合振動(dòng)；y－θ向耦合振動(dòng)組成為基組在回轉(zhuǎn)力矩Mθ和豎向擾力Pz沿y向偏心距作用下，產(chǎn)生y向水平、繞x軸回轉(zhuǎn)的耦合振動(dòng)。

發(fā)電機(jī)產(chǎn)生一諧擾力，燃機(jī)產(chǎn)生二諧擾力，而作為旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力基礎(chǔ)，它們的振動(dòng)，可以分解為豎向振動(dòng)及x－Φ向耦合振動(dòng)。

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

3.2 地基土的主要?jiǎng)恿μ匦詤?shù)

根據(jù)業(yè)主提供有關(guān)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)：基礎(chǔ)擾力作用線高出基礎(chǔ)頂面h0為2.159 m；基礎(chǔ)重心至基礎(chǔ)頂面的距離h1為2.09 m；基礎(chǔ)重心至基礎(chǔ)底面的距離h2為2.09 m：永久荷載為1 396 k N。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)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(zhì)量m為972 t，基組質(zhì)量比：

天然地基豎向阻尼比：

水平回轉(zhuǎn)向，扭轉(zhuǎn)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(jì)算基礎(chǔ)的各種剛度，必須計(jì)算地基的抗剪剛度系數(shù)、抗彎剛度系數(shù)，以及基礎(chǔ)底面通過(guò)形心軸的慣性矩Iy。

地基的抗剪剛度系數(shù)Cx和抗彎剛度系數(shù)Cφ：

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

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

基礎(chǔ)底面通過(guò)形心軸的慣性矩Iy：

式中：La為燃?xì)廨啓C(jī)混凝土基礎(chǔ)的長(zhǎng)度，取22.40 m；L為擾力方向長(zhǎng)度，取4.00 m。

可以得到基礎(chǔ)底面通過(guò)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(chǔ)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(jì)算

由于燃機(jī)及發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的擾力為豎向擾力及水平擾力，因此將振動(dòng)分解為豎向振動(dòng)，以及x－Φ向耦合振動(dòng)，根據(jù)分解出來(lái)的兩部分振動(dòng)的計(jì)算線位移疊加，即為《動(dòng)規(guī)》要求的基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)x方向和z方向的總振動(dòng)線位移。

1）發(fā)電機(jī)水平擾力

式中：Wg1為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重量，取21.9 t；n1為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，取3 000 r／min。

發(fā)電機(jī)垂直擾力：

2）燃機(jī)產(chǎn)生的擾力

燃機(jī)水平擾力：

式中：Wg2為燃機(jī)轉(zhuǎn)子的重量，取17 t；n2為燃機(jī)轉(zhuǎn)速，取5 163 r／min。

燃機(jī)垂直擾力：

4 總振動(dòng)線位移的計(jì)算

4.1 豎向振動(dòng)

發(fā)電機(jī)豎向振動(dòng)線位移（一諧擾力）：

燃機(jī)豎向振動(dòng)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(jī)擾力的圓頻率，取314 r／s；ω燃為燃機(jī)擾力的圓頻率，取541 r／s；mz為基礎(chǔ)質(zhì)量、機(jī)器重量與回填土重量之和，取1 114 t；ωnc為振動(dòng)固有圓頻率，取60 r／s。

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

4.2 基組x－Φ向耦合振動(dòng)

x－Φ向耦合振動(dòng)的計(jì)算，包括各種振型固有頻率的計(jì)算。

1）固有頻率 基組繞y軸回轉(zhuǎn)振動(dòng)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(chǔ)繞縱向中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取3 113 t·m2。

代入數(shù)據(jù)，可以得到基組繞y軸回轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dòng)固有圓頻率，取50.33 r／s；mx為基組水平回轉(zhuǎn)振動(dòng)的總質(zhì)量，1 114 t。

代入數(shù)據(jù)，可以得到第一振型固有頻率。

同樣，對(duì)于第二振型固有頻率：

代入數(shù)據(jù)，可以得到第二振型固有頻率ωnφ2為95.89 r／s。

2）燃機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中心距基組重心的距離

由于基礎(chǔ)重心至基礎(chǔ)底面的距離h2為2.09 m，因此在第一振型中，燃機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)擾力）

第一振型總擾力矩：

第二振型總擾力矩：

第一振型回轉(zhuǎn)角位移：

第二振型回轉(zhuǎn)角位移：

基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)豎向振動(dòng)線位移：

式中：Ix為基礎(chǔ)變控制點(diǎn)至基礎(chǔ)縱向軸線的水平距離。

基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)x向水平振動(dòng)線位移：

4）二諧擾力（燃機(jī)擾力）

第一振型總擾力矩：

第二振型總擾力矩：

第一振型回轉(zhuǎn)角位移：

第二振型回轉(zhuǎn)角位移：

基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)豎向振動(dòng)線位移：

基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)x向水平振動(dòng)線位移：

將以上所計(jì)算的振動(dòng)位移及速度通過(guò)均方根值疊加，因沒(méi)有考慮土的參振質(zhì)量，所以應(yīng)乘以計(jì)算系數(shù)：

這樣，基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)x方向的總振動(dòng)線位移：

z方向的總振動(dòng)線位移：

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

4.3 總振動(dòng)速度的計(jì)算

基礎(chǔ)頂面控制點(diǎn)x方向的總振動(dòng)速度：

z方向的總振動(dòng)速度：

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

5 結(jié)論與建議

總體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的火電廠對(duì)施工完成后的設(shè)備檢測(cè)相對(duì)較為關(guān)心，但很少對(duì)動(dòng)力基礎(chǔ)的振動(dòng)位移、振動(dòng)速度作出針對(duì)性的測(cè)量，一般僅需要人的直觀感受滿足即可。因此，本工程未作動(dòng)力檢測(cè)，無(wú)法給出具體參數(shù)。項(xiàng)目于2005年底完成，已經(jīng)運(yùn)行7年，實(shí)際結(jié)果表明，基礎(chǔ)的動(dòng)力基礎(chǔ)情況良好，現(xiàn)場(chǎng)幾乎沒(méi)有異常振動(dòng)。

本工程的基礎(chǔ)大小由于種種原因已經(jīng)確定，設(shè)計(jì)工作變成了一個(gè)驗(yàn)算指定尺寸的大塊式動(dòng)力基礎(chǔ)是否滿足規(guī)范要求的問(wèn)題。這種指定結(jié)構(gòu)后，要求設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程要求，驗(yàn)證既定方案合理性的做法經(jīng)常出現(xiàn)。因此本文的一些方法，可以為同類的設(shè)計(jì)工作作為參考。根據(jù)多年來(lái)設(shè)計(jì)工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)動(dòng)力（燃機(jī)）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提出以下建議：

1）為了大塊式混凝土動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、計(jì)算的方便及動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行的安全，首先應(yīng)設(shè)計(jì)出合理的基礎(chǔ)形狀及尺寸，盡量滿足無(wú)需動(dòng)力計(jì)算的條件；如果無(wú)法滿足要求，宜想方設(shè)法使基礎(chǔ)滿足簡(jiǎn)化動(dòng)力計(jì)算的條件。這樣可以省略很多的繁瑣計(jì)算。復(fù)雜的動(dòng)力計(jì)算不僅影響設(shè)計(jì)的效率，而且很容易出現(xiàn)差錯(cuò)。

2）構(gòu)造方面，應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)的實(shí)際需要配筋。20世紀(jì)70年代國(guó)內(nèi)對(duì)某廠紅旗牌壓縮機(jī)裝配式基礎(chǔ)的表面鋼筋進(jìn)行過(guò)應(yīng)力測(cè)試，測(cè)得70～140 N／cm2，可以看出，表面鋼筋均為構(gòu)造需要。

3）《動(dòng)規(guī)》4.5.1條中，將大塊式基礎(chǔ)的質(zhì)量超過(guò)設(shè)備自重5倍作為一個(gè)可不作動(dòng)力計(jì)算的下限要求不盡合理。對(duì)于旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力基礎(chǔ)，其振動(dòng)的來(lái)源就是轉(zhuǎn)子部分的高速旋轉(zhuǎn)。設(shè)備的定子、罩殼等均可視為基礎(chǔ)的一部分，是起到減震的作用。因此，應(yīng)該將設(shè)備基礎(chǔ)與設(shè)備定子的總重超過(guò)設(shè)備轉(zhuǎn)子重的若干倍數(shù)作為一個(gè)設(shè)計(jì)界限較為合理。

4）對(duì)大型的設(shè)備基礎(chǔ)，最初運(yùn)行后的一段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)做動(dòng)力檢測(cè)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，并應(yīng)將動(dòng)力檢測(cè)報(bào)告作為工程驗(yàn)收的必要條件。