干燥旋风分离器支架基础的选取和设计要点分析.pdf

技术探讨 科技 TECHNOLOGY 中国人造板 2023,30(10)干燥旋风分离器支架基础的选取和设计要点分析郑 月，李 丹国家林业和草原局产业发展规划院，北京100010摘要：干燥旋风分离器作为纤维干燥工段主要附属装置，其体量随着纤维板生产线单线产能的不断扩大有了很大增加。旋风分离器钢支架平台高度往往大于50 m，高宽比大于7且整体结构对基础沉降较为敏感。本文根据干燥旋风分离器的结构和受力特点，总结在填土强腐蚀场地土地区应用预应力抗拔管桩作为其基础的设计要点，归纳设计经验数据供类似工程参考借鉴。关键词：中/高密度纤维板工程；干燥旋风分离器平台；钢框架-支撑结构；预应力抗拔管桩；强腐蚀地基土中图分类号：TU473.2 文献标志码：B 文章编号：1673-5064（2023）10-0023-05 DOIDOI：10.12393/j.1673-5064.20231005Design Considerations for Foundations of Large Dry Cyclone SeparatorsZheng Yue,Li DanIndustry Development and Planning Institute,National Forestry and Grassland Administration,Beijing 100010,ChinaAbstract:The size of dry cyclone separators has increased significantly with higher production capacities in fiberboard lines.Their tall,slender structures make them sensitive to foundation settlement.This study summarizes design considerations for the foundation of large dry cyclones,focusing on prestressed concrete piles in compressible or corrosive soils.Key words:medium/high density fiberboard engineering;dry cyclone separator platform;steel frame-support structure;prestressed draw resistant pipe pile;strong corrosive subsoil随着全国人造板生产线淘汰落后生产能力步伐的加快，新建纤维板生产线单线产能有了显著提升。2021年度，全国建成投产14条纤维板生产线，新增生产能力336万m3，2022年初，全国在建纤维板生产线8条，合计生产能力为193万m3，单线生产能力基本都在20万m3以上，其中最大单线生产能力达到60万m3。对应纤维板单线产能的增长，主线设备的体量和工作能力也有了扩充。干燥旋风分离作为纤维干燥工段的主要附属设备，体量相较过去有了跨越式增长，其支撑旋风分离器设备平台高度也由原来近30 m普遍提升至50 m以上，单线产能60万m3的干燥旋风分离器顶部最大直径超过7 m，钢支架高度更是近70 m。旋风分离器体积巨大但质量较轻，其主体为内部空腔的壳体结构，壳体旋风筒由312 mm钢板密闭焊接而成，水平风荷载为钢支架的主要荷载作用。在生产线工作时，分离器内部填充大量热烟气，木纤维随烟气螺旋状进入旋风筒内部，物料受重力作用由下方管路输送到旋风筒外，设备间管路多采用焊接的硬连接形式，若钢支架基础沉降过多易引起管道开裂。保证旋风支架基础承载力和满足沉降要求成为工程设计人员的首要任务。本文结合某中/高密度纤维板项目实例，分析在强腐蚀填土地区应用预应力抗拔管桩作为56 m高干燥旋风分离器钢支架基础的设计要点，供其他人造板工程参考借鉴。1 干燥主旋风分离器平台上部结构分析某中/高密度纤维板工程，建设地位置位于河北省唐23 中国人造板 2023,30(10)郑月，等:干燥旋风分离器支架基础的选取和设计要点分析山市东南方80 km，该地属于大陆性季风气候，基本风压为0.45 kN/m2。如图1所示，该项目干燥主旋风分离器为两个并排布置，其顶部最大直径为6.50 m，高度为56.52 m。地面以上结构形式采用钢框架支撑结构体系，截取上部结构主要抗侧力单元进行分析，其简化受力模式可近似看作底部嵌固端于大地的悬臂桁架，详见图1结构简图。桁架结构体系内力特点为以杆件轴力作用为主，此时柱脚反力集中体现为以短跨柱距为力臂的拉压力偶。经上部结构计算，读取柱脚反力值分析可知，水平风荷载对旋风分离器钢平台支架及基础计算起控制作用，提取出在风荷载作用下的两组最不利荷载控制组合：轴力最大组合Nmax和轴力最小组合Nmin，具体数值见表1，并以这两组控制组合对基础进行分析计算。2 地质条件分析项目场地属于海陆交互相滨海平原地貌，地质土层主要为第四系全新统滨海沉积层及海陆交互相沉积层形成的粉砂、粉土、黏土及粉质黏土层，干燥主旋风分离器支架所在位置的土层信息及物理指标详见图2。场地土层为欠固结新进填土，层土为承载力特征值不足100 kPa且厚度分布不均匀的高压缩性粉质黏土，层粉砂土埋深较深均不适宜作为浅基础的持力层进行工程设计，遂放弃浅基础，采用桩基础的设计方案。3 桩基础方案选取根据项目邻近场地工程经验，可行的深基础方案有两种，分别为旋挖成孔灌注桩和PHC（prestress high concrete）预应力混凝土管桩。混凝土灌注桩虽可根据具体土层信 图1 建设中的旋风分离器支架及支架上部结构简图表1荷载标准组合下承台底荷载包络工况选取目标组合名称荷载信息轴力/kNX向剪力/kNY向剪力/kNX轴弯矩/kN mY轴弯矩/kN m组合1：最大轴力NmaxN=4 300（方向向下）Vx=5Vy=234Mx=-68My=2组合2：最小轴力NminN=-1 350（方向向上）Vx=2Vy=-160Mx=69My=324 中国人造板 2023,30(10)技术探讨 科技 TECHNOLOGY息灵活选取桩径和桩长，但由于、层软土较厚，场地稳定水位埋深在0.102.90 m，施工成孔过程中水位较高极易产生塌孔、液化、吸钻等现象，桩身完整性和承载力受成孔质量影响较大，必要时还需采取泥浆护壁或沉管灌注等施工措施，带来工程成本增大的同时对场地的环保措施也提出了更高的要求。反观PHC预应力混凝土管桩最大特点为桩身在工厂预制而成，桩身完整性得到充分保证。其次场地土质较软，适宜采用低噪声、低污染的静压法施工。静压桩机每天的压桩数量约为50根，工程施工周期大幅缩减。根据地质勘察报告分析可知，受到海洋潮汐影响，在水位干湿交替条件下水对混凝土中的钢筋具有强腐蚀作用，受此影响基础裂缝控制也是设计要素之一。PHC管桩在预应力钢筋作用下，桩身具有足够抗裂拉力，以最终应用的PHC-400AB（95）桩型为例，其按标准组合计算的抗裂拉力为NK=550 kN，读取表1基底最大上拔力为1 350 kN，只需通过调整管桩数量便可达到设计要求，经综合对比最终选取预应力混凝土管桩基础方案。4 单桩竖向承载力标准值的确定根据图2地勘土层信息，第层土为粉砂，土层密实、矿物成分以石英长石为主，土层较厚并具有很好的力学性能，可作为桩端持力层。为使静压法沉桩工程中桩端顺利到达持力层，实际工程中选用了十字型钢桩尖来提高桩身穿透力，与此同时钢桩尖对管桩空心处进行了封堵，改善了桩端净面积较小的情况，有效提高桩端阻力值。图2中，最终设计桩长为20 m时桩端进入持力层深度约为2.5 m，满足进入持力层最小深度2倍桩径要求。值得注意的是通过分析场地土水位变化区间，管桩图2 场地土层剖面及物理指标25 中国人造板 2023,30(10)郑月，等:干燥旋风分离器支架基础的选取和设计要点分析在到达设计标高后，桩顶以下4 m范围内均属于水位频繁变化位置，已形成干湿交替条件，地下水对承台以及桩顶以下4 m范围内管桩中钢筋具有强腐蚀性，需采取必要的防腐蚀措施。此工程根据在GB 500462018工业建筑防腐蚀设计标准中的要求，在不同位置选取了不同的防腐措施，即基础短柱、承台梁、基础承台等混凝土构件表面铺设环氧沥青玻璃布，厚度1 mm。对桩顶以下4 m范围内桩身外表面刷环氧沥青涂层，厚度500 m。此时应注意，JGJ/T 4062017预应力混凝土管桩技术标准中的3.0.12条提醒设计人员“当管桩的表面涂有防腐蚀涂料时，在估算单桩承载力时，不计入涂层范围内的桩侧阻力”。此条文的确立原因在于，现有桩极限侧阻力标准值的确定是基于桩身混凝土面与地基土直接接触获取的数据，而防腐涂层的设置势必会改变二者之间的摩擦特性，从而给最终桩极限承载力特征值的计算带来不确定性。根据公式（1）进行核算，Quk=Qsk+Qpk=uqsikli+qpkAp (1)式中：Qsk总极限侧阻力标准值，kN；Qpk总极限端阻力标准值，kN；u桩身周长，m；qsik、qpk桩侧第i层土的极限侧阻力标准值、极限端阻力标准值，kPa；Ap桩端面积，m。若 想 当 然 地 计 入 全 桩 段 测 阻 力，此 时Quk=1 450 kN，而桩顶以下4.0 m范围内Qsk=260 kN，约占总竖向承载力标准值的18%，可见影响不容被忽视。5 单节桩长度的选取和抗拔承载力计算对比现有国标图集预应力混凝土管桩已对单节管桩可取长度给出了明确介绍，其中PHC-400AB（95）单节可选长度为7.012.0 m，接头采用焊接连接。管桩抗拔承载力特征值的计算遵循公式(2)，Rta=iqSikuili2+Gp （2）式中：Rta单桩竖向抗拔承载力特征值，kN；i抗拔系数；Gp桩基自重，kN。同受压承载力的计算要点，应将有防腐涂层桩段侧阻力予以扣除。其次出于对桩段连接可靠性的保守估计，一般情况下，不宜采用多节管桩作为抗拔桩使用，必须采用时只可考虑最上节管桩的抗拔承载力。根据公式（2）分析，在桩径不变的情况下首节桩身长度成为了影响抗拔承载力的唯一因素。以桩身总长为20 m，选取3种不同节桩长度组合情况进行抗拔承载计算对比，结果详见表2。通过表2的计算数值分析，在桩身总长20 m不变的情况下，可通过合理选取首节桩长度将抗拔承载力提高45%，设计时注意此细节的把握可在工程成本不变的情况下获得更优数据成果。6 桩与承台连接设计要点归纳桩与承台的连接多采用钢筋混凝土填芯灌浆的方法实现，通过填芯中的钢筋和混凝土与管桩内壁的粘结力实现竖向拉力的传递。构造上抗拔桩的填芯高度较抗压桩要求更深，不应小于8倍的管桩外径且不应小于3.5 m。计算上预应力抗拔管桩遵循全桩身抗拉等强的设计原则，桩与桩、桩与承台连接强度应大于桩身受拉承载力，单桩抗拔力设计值N全部由填芯纵向钢筋承担见公式（3），填芯混凝土粘结强度计算详见公式（4），NtAsdfy（3）Nt0.8d1Lafn（4）式中，Nt单桩抗拔力设计值，kN；Asd纵向钢筋总截面面积，mm；fy钢筋抗拉强度设计值，N/mm；d1管桩内径，mm；La填芯混凝土高度，mm；fn填芯混凝土与管桩内壁的粘结强度，N/mm。表2 首节桩长不同情况下单桩抗拔承载力特征值对比管桩选型桩身总长/m首节桩长度/m单桩抗拔承载力特征值Rta/kNPHC-400 AB（95）-8 1220886PHC-400 AB（95）-10 102010122PHC-400 AB（95）-12 8201215726 中国人造板 2023,30(10)技术探讨 科技 TECHNOLOGYNt可直接选取按照国标图集10G409中桩身受拉承载力设计值N数值。以上公式中最不确定的因式为fn，往往工程中很难收集相应填芯混凝土等级对应fn的试验数据。针对此种情况可按JGJ/T 4062017中C30微膨胀混凝土粘结强度进行试算。以本工程为例，管桩采用高度La为3.5 m的C45微膨胀混凝土进行填芯，依据C30粘结强度0.35 N/mm进行计算，此时公式（4）右侧计算数值为646 kN，远大于PHC-400 AB（95）的N=536 kN，已满足等强抗拉原则的设计。工程上若出现NtN的情况，则可以通过增加填芯高度来满足要求。7 结束语近年来人造板行业坚持以科技创新为支撑，引领产业高质量发展，技术和装备创新能力进一步提升。最近已建成的人造板生产线多体现出建设速度快、单线产能大、设备技术更加成熟等特点，但与此同时建设过程中也面临着建设地地质条件复杂不利、单体子项体量庞大、建设成本控制严苛等挑战。紧跟行业发展趋势，选用合理且经济的设计方案是工程建设的先导，也是每位人造板工程设计者必备的技能与要求。本文根据工程实例分析，对干燥旋风分离器钢支架在强腐蚀填土地区应用预应力混凝土管桩设计要点进行梳理，分析桩身防腐涂层对桩侧摩阻力的影响，通过调整首节桩长来实现桩身抗拔承载力的发挥，并以具体荷载信息探索承台与预应力管桩可靠连接的计算方法，得到良好的工程验证，为人造板工程基础设计和建设提供更多数据支持。参考文献：1 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