陸上風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題

張楠

摘 要：近些年，我國風(fēng)電事業(yè)發(fā)展迅猛。隨著風(fēng)電建設(shè)的快速發(fā)展，風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計分析水平也顯著提高。風(fēng)機基礎(chǔ)形式由最初的傳統(tǒng)重力式擴展基礎(chǔ)發(fā)展到梁板式基礎(chǔ)、高臺柱基礎(chǔ)等多種基礎(chǔ)形式。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機基礎(chǔ);基礎(chǔ)設(shè)計

1 風(fēng)機基礎(chǔ)形式分析

1.1 重力式擴展基礎(chǔ)

鋼筋混凝土重力式擴展基礎(chǔ)是目前國內(nèi)陸上風(fēng)電場最常采用的一種基礎(chǔ)形式。一般通過基礎(chǔ)環(huán)或預(yù)應(yīng)力錨栓將上部荷載傳給基礎(chǔ)?；A(chǔ)底面形狀一般有正方形、六邊形、八邊形以及圓形，目前最常用的是正方形和圓形。通過計算認為，盡管方形基礎(chǔ)混凝土用量比圓形基礎(chǔ)略大，但在相同工況下，方形基礎(chǔ)的基底壓力分布較為合理，基底脫開面積較小，并且鋼筋使用量較小，對于盛行風(fēng)較為固定的地區(qū)，適合選用方形或多邊形基礎(chǔ)。

重力式擴展基礎(chǔ)采用極限狀態(tài)設(shè)計方法。首先根據(jù)輪轂高度、單機容量、風(fēng)速、荷載水平及地質(zhì)條件等確定基礎(chǔ)底板的尺寸和高度。然后分別計算基底反力、沉降、傾斜、基底脫開面積等。分別校核地基承載力、基礎(chǔ)變形及穩(wěn)定性是否同時滿足規(guī)范以及風(fēng)機廠家的要求。重力式擴展基礎(chǔ)施工較為簡便、工程經(jīng)驗豐富、適用范圍廣，但是這種基礎(chǔ)形式抗壓能力有余，抗彎效率不高。由于整體剛度較大，基礎(chǔ)邊緣與地基脫開面積起到控制作用，尤其是對于大容量的風(fēng)力發(fā)電機組，基礎(chǔ)的懸挑板長度過大，需要大量的混凝土，經(jīng)濟性較差。

1.2 梁板式基礎(chǔ)

梁板式風(fēng)機基礎(chǔ)是由基礎(chǔ)臺柱、基礎(chǔ)底板、從臺柱懸挑出的放射狀的主梁、封邊次梁組成。

主梁格間由素土夯實，底面通常為八邊形或圓形。上部荷載通過基礎(chǔ)環(huán)傳遞給主梁，再由主梁傳遞給次梁及地基。

這種風(fēng)機基礎(chǔ)形式主要通過主梁的剛度抵抗基礎(chǔ)變形，通過基礎(chǔ)及梁格間的填土自重共同抵抗傾覆力矩。相對于重力擴展基礎(chǔ)，梁板式基礎(chǔ)偏“柔”，能夠充分發(fā)揮主梁的抗彎特性，使基地壓力分布更為合理，從而減小基地脫開面積。目前，梁板式風(fēng)機基礎(chǔ)仍參考《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定》中重力式擴展基礎(chǔ)的設(shè)計方法，對梁板式風(fēng)機基礎(chǔ)的力學(xué)特性以及計算方法的深入分析未見報道。梁板式風(fēng)機基礎(chǔ)已在我國陸上風(fēng)電場中廣泛使用。由于梁格間采用素土夯實，相對重力式擴展基礎(chǔ)，這種基礎(chǔ)形式的混凝土用量大大減少，可適當(dāng)改善大體積混凝土由于水化熱產(chǎn)生溫度應(yīng)力對澆筑的不利影響，并且有較好的經(jīng)濟性。以常見的1.5MW風(fēng)機為例，采用梁板式風(fēng)機基礎(chǔ)比傳統(tǒng)的重力式擴展基礎(chǔ)節(jié)約造價35%。但是，梁板式風(fēng)機基礎(chǔ)土方開挖量較大、體型復(fù)雜、模板制作、安裝周期較長。并且主梁內(nèi)鋼筋較密，混凝土澆筑、振搗困難，施工質(zhì)量較難控制。

2 設(shè)計規(guī)范

由于風(fēng)電是一個新事物，最近十幾年才得以商業(yè)化發(fā)展，風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范目前不很成熟。

我國以前也沒有專門的風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，設(shè)計一般參照建筑、電力行業(yè)的相關(guān)規(guī)范。于2007年9月，我國發(fā)布了FD003-2007《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）》，該規(guī)范適用于陸上風(fēng)機。

3 設(shè)計計算驗算需包含的內(nèi)容

風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計一般需包含以下內(nèi)容：地基承載力驗算、基礎(chǔ)抗滑移驗算、基礎(chǔ)抗傾倒驗算、基礎(chǔ)底面脫開地基面積驗算、基礎(chǔ)沉降驗算、基礎(chǔ)動剛度驗算、基礎(chǔ)配筋及混凝土驗算、基礎(chǔ)混凝土抗局部壓力驗算、基礎(chǔ)混凝土抗沖切驗算、基礎(chǔ)混凝土裂縫驗算、基礎(chǔ)鋼筋和混凝土的抗疲勞破壞驗算。通常的民用建筑物基礎(chǔ)設(shè)計中，一般不需要基礎(chǔ)底面脫開地基面積驗算，不需要基礎(chǔ)動剛度驗算，也不需要基礎(chǔ)鋼筋和混凝土的抗疲勞破壞驗算。

4 基礎(chǔ)承受的荷載及其系數(shù)

從風(fēng)機塔筒傳給基礎(chǔ)的荷載，一般由風(fēng)機制造商提供，折算到基礎(chǔ)頂面，未含荷載系數(shù)，荷載系數(shù)一般按規(guī)范選取。荷載一般分三個工況：風(fēng)機正常運行荷載工況、極端荷載工況、地震工況。荷載有循環(huán)振動特征，以豎直面內(nèi)的彎矩為主。在通常的民用建筑物基礎(chǔ)設(shè)計中，荷載及荷載系數(shù)由結(jié)構(gòu)設(shè)計人員根據(jù)有關(guān)規(guī)范，并結(jié)合業(yè)主對建筑物的使用要求確定;荷載一般無循環(huán)振動特征。

5 基底附加壓力分布

由于傳至風(fēng)機基礎(chǔ)上的荷載，以豎直面內(nèi)的彎矩為主，基底附加壓力的分布，可以近似為三角形，沿主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)口最大，沿主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)口最?。?）。在通常的民用建筑物基礎(chǔ)設(shè)計中，基底附加壓力常假設(shè)為均勻分布或梯形分布。

6 基礎(chǔ)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)機基礎(chǔ)允許的最大沉降，包括絕對沉降和傾斜率，一般由風(fēng)機制造商確定，以保證風(fēng)機的運行狀況及發(fā)電功率。作者參與的項目中，輪轂高度多數(shù)為100多米，基礎(chǔ)允許的最大傾斜率一般為0.003。在通常的民用建筑物基礎(chǔ)設(shè)計中，基礎(chǔ)允許的最大沉降，一般按建筑物的結(jié)構(gòu)形式和高度，查規(guī)范確定。FD003-2007《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）》中規(guī)定基礎(chǔ)的最大傾斜率為0.006～0.003，對應(yīng)的輪轂高度為60m以下至100m以上;對60～80m范圍內(nèi)的輪轂高度，規(guī)定基礎(chǔ)的最大傾斜率為0.005，這比作者參與的項目中，類似輪轂高度下風(fēng)機基礎(chǔ)的最大傾斜率（0.003），寬松很多。

7 基礎(chǔ)動剛度計算及控制標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)機基礎(chǔ)的設(shè)計中，通常需驗算基礎(chǔ)的動抗彎剛度和動抗剪剛度?；A(chǔ)需達到的最小抗彎剛度和抗剪剛度，由風(fēng)機制造商確定，以保證風(fēng)機的運行狀況及發(fā)電功率。在通常的民用建筑物基礎(chǔ)設(shè)計中，一般不需要基礎(chǔ)動剛度驗算。

8 基礎(chǔ)底面脫開地基面積的控制標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)機基礎(chǔ)底面脫開地基面積的最大允許值，一般由風(fēng)機制造商提供，以保證風(fēng)機的運行狀況及發(fā)電功率。該允許值，隨工況和方向而不同（沿基礎(chǔ)軸線方向、沿基礎(chǔ)對角線方向）。在通常的民用建筑物基礎(chǔ)設(shè)計中，一般不需要基礎(chǔ)底面脫開地基面積的驗算。

9 基礎(chǔ)鋼筋和混凝土的抗疲勞破壞驗算

由于風(fēng)機基礎(chǔ)承受的荷載是循環(huán)荷載，需要進行基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋和混凝土的抗疲勞破壞驗算，以保證在服務(wù)期內(nèi)，基礎(chǔ)不發(fā)生疲勞破壞。在通常的民用建筑物基礎(chǔ)設(shè)計中，一般不需要鋼筋和混凝土的抗疲勞破壞驗算。

10 基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋件

風(fēng)機塔筒與基礎(chǔ)的連接，常采用兩種形式，即預(yù)埋在基礎(chǔ)中的預(yù)應(yīng)力錨栓或基礎(chǔ)環(huán)，都由風(fēng)機制造商選定。每種形式具體的規(guī)程、尺寸、材料、安裝要求等，也都由風(fēng)機制造商提供。設(shè)計中，需將這些信息在圖紙上適當(dāng)注明，以方便施工。根據(jù)風(fēng)機制造商的要求，基礎(chǔ)中可能還需要預(yù)埋電纜導(dǎo)管、防雷接地線、排水管等。

11 地質(zhì)條件差異

相對于通常的民用建筑工程的場地面積，風(fēng)電場范圍很大，因為風(fēng)機的有關(guān)安裝要求是，風(fēng)機的間距至少約為500m;風(fēng)電項目每期工程一般安裝約30臺風(fēng)機。在這種情況下，從一個風(fēng)機到另一個風(fēng)機，即使是臨近的風(fēng)機，地質(zhì)條件可能發(fā)生較大變化。如果變化不是很顯著，而且風(fēng)機個數(shù)也不是很多，可根據(jù)最不利的地質(zhì)條件進行設(shè)計，使所有的風(fēng)機都采用一個基礎(chǔ)設(shè)計，以方便管理。如果變化很顯著，而且風(fēng)機個數(shù)也很多，可將地質(zhì)條件分組，條件相近的劃為一組;然后針對每一組地質(zhì)條件，設(shè)計一個基礎(chǔ)。這樣，可避免所有的風(fēng)機采用一個設(shè)計的局面（基于最不利地質(zhì)條件的設(shè)計，通常造價最高），降低整個項目的風(fēng)機基礎(chǔ)造價。

12 服務(wù)年限

風(fēng)機基礎(chǔ)的設(shè)計服務(wù)年限一般為20年，與風(fēng)機的服務(wù)年限一致。通常的民用建筑物基礎(chǔ)，其設(shè)計服務(wù)年限一般為50年，與其上部結(jié)構(gòu)的服務(wù)年限一致。

13 結(jié)語

風(fēng)機基礎(chǔ)是保證風(fēng)力發(fā)電機組正常安全運行的關(guān)鍵因素，對風(fēng)電場的安全起到至關(guān)重要的作用。

參考文獻

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