論風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計的要點及安全控制原則

程新波

摘 要：本文將針對當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計的特點，以及國內(nèi)外相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，考慮抗震要求，分析論述風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計的要點，可為同類設(shè)計時提供借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；規(guī)范

中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

中國已成為全球風(fēng)電行業(yè)的領(lǐng)頭羊。2009年中國風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)1380萬kW，位居世界第一。而2010年，全球每三臺新安裝的風(fēng)電機(jī)組，就有一臺在中國。中國的風(fēng)能潛力巨大，到2020年的風(fēng)電累計裝機(jī)可以達(dá)到2.3億kW，相當(dāng)于13個三峽電站；總發(fā)電量可以達(dá)到4649億kW·h，可取代200個火電廠。屆時，風(fēng)電將成為中國主要能源來源之一，總裝機(jī)容量占全國電力裝機(jī)容量的15%左右，每年可減少4.1億t二氧化碳排放，或者少消耗近1.5億t的標(biāo)準(zhǔn)煤。

我國政府對經(jīng)濟(jì)社會全局和長遠(yuǎn)發(fā)展做出重大部署，制定了 《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，以加速我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長。同時確定，2015年風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到1億kW，2020年超過2億kW。今年年初，國家能源局發(fā)布的核準(zhǔn)和擬核準(zhǔn)項目總?cè)萘砍^了4800萬kW，現(xiàn)有的規(guī)劃在理論上足以支持未來3年年均1600萬kW的新增裝機(jī)容量。

在如此巨大的國家宏觀調(diào)控力度下，風(fēng)電場建設(shè)如火如荼，遍地開花，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的建設(shè)量也相當(dāng)龐大。但因為目前中國風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計研究的理論還不是很成熟，多數(shù)是借鑒的國外相關(guān)技術(shù)，故在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計方面還有很多需要研究和完善的地方。

以下就風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計的相關(guān)理論及技術(shù)作一些分析與總結(jié)，僅供參考。

一、當(dāng)前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計的理論及相關(guān)規(guī)范（國外、國內(nèi)）

1 當(dāng)前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計的理論

由于風(fēng)機(jī)塔筒的高度相對比較高，一般在80m左右，葉輪半徑約40m，上部結(jié)構(gòu)約250t，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計的理論模型為一個自重較大的高聳結(jié)構(gòu)。抗傾覆設(shè)計為其設(shè)計的主要考慮因素。目前比較可靠的基礎(chǔ)理論為通過設(shè)備及基礎(chǔ)的自重對傾覆點產(chǎn)生的抗傾覆力矩來抵抗由風(fēng)機(jī)工作及地震等產(chǎn)生的傾覆力矩。設(shè)計考慮的是偏心距/基礎(chǔ)底板半徑，在正常工況時不大于0.25，極端工況與地震時不大于0.43。在這一基本理論的前提下北京木聯(lián)能工程科技有限公司開發(fā)了相應(yīng)的風(fēng)電工程軟件-機(jī)組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計軟件（WTF）（v4.4.1），目前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計也主要是依靠的此理論。

2 目前國內(nèi)使用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）》FD003-2007；《風(fēng)電場工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》FD002-2007；《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008；《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010；《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011；《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010；《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》GB/T50476-2008。

3 借鑒的國外標(biāo)準(zhǔn)：（主要是德國的DIN）

《DIN1045》德國標(biāo)準(zhǔn)。

二、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計時安全控制的要點

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計主要考慮的是抗傾覆和基礎(chǔ)本身的整體性，在設(shè)計時主要從以下幾個方面來控制：

1 抗傾覆控制，偏心距的控制是比較重要的，這一可以保證安全系數(shù)不小于1.2；

2 基礎(chǔ)本身的抗裂、抗沖切、抗剪、抗疲勞設(shè)計控制；

3 基礎(chǔ)的整體性和與上部結(jié)構(gòu)塔筒的連接設(shè)計控制。

三、設(shè)計案例

1 項目簡介

新疆某風(fēng)電場，單機(jī)裝機(jī)容量2MW。風(fēng)機(jī)輪轂高度70m，葉片直徑87m。風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計級別為1級，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級為二級，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計使用年限為50年，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土擴(kuò)展圓形基礎(chǔ)。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)抗震設(shè)防分類為丙類。

2 設(shè)計過程

本項目最大工況的傾覆力矩為37707.057kN·m。

設(shè)計計算程序為CFD風(fēng)電工程軟件-機(jī)組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計軟件（WTF）（v4.4.1）（北京木聯(lián)能工程科技有限公司）。

本工程采用軟件設(shè)計時，需要不斷的調(diào)整基礎(chǔ)底板直徑及基礎(chǔ)高度來試算，在滿足抗傾覆安全的前提下，盡量縮減混凝土和鋼筋用量。

經(jīng)過不斷調(diào)整與試算，得出較為經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)尺寸。

基礎(chǔ)尺寸為：

基礎(chǔ)底板半徑R = 9.55m

基礎(chǔ)棱臺頂面半徑R1 = 3.5m

基礎(chǔ)臺柱半徑R2 = 3.5m

塔筒直徑B3 = 4.2m

基礎(chǔ)底板外緣高度H1 = 1m

基礎(chǔ)底板棱臺高度H2 = 1.5m

臺柱高度H3 = 0.9m

上部荷載作用力標(biāo)高Hb = 0.615m

基礎(chǔ)埋深Hd = 3.3m

荷載分項系數(shù)：

永久荷載分項系數(shù)（不利/有利）：1.2/1

可變荷載分項系數(shù)（不利/有利）：1.5/0

疲勞荷載分項系數(shù)：1

偶然荷載分項系數(shù)：1

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1

荷載修正安全系數(shù)：1.35

方量計算：

基礎(chǔ)混凝土體積V12：536.164m3

基礎(chǔ)覆土體積V22：413.204m3

經(jīng)過基礎(chǔ)本身的抗裂、抗沖切、抗剪、抗疲勞設(shè)計控制，以及基礎(chǔ)的整體性和與上部結(jié)構(gòu)塔筒的連接設(shè)計。

結(jié)語

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)涉及整個風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定，一旦設(shè)計出現(xiàn)偏差，風(fēng)機(jī)將會產(chǎn)生傾覆的危險。不僅產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)影響（一個風(fēng)機(jī)含直接安裝設(shè)備的造價都在500萬左右），也可能產(chǎn)生生命安全事故。我們在進(jìn)行設(shè)計的時候，紀(jì)要考慮其經(jīng)濟(jì)性，又要考慮其安全性。

參考文獻(xiàn)

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