輻射梁式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)探討

裴元義

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源中應(yīng)用較為成熟的一種發(fā)電技術(shù)，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了大量的應(yīng)用[1-2]。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為風(fēng)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu),其安全穩(wěn)定關(guān)系到風(fēng)場(chǎng)的正常運(yùn)行[3]，在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中顯得越來越重要[4]。圓形輻射梁式陸上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為一種經(jīng)過優(yōu)化的重力式基礎(chǔ)，以其工程量少、造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)而得到越來越廣泛的應(yīng)用。而目前針對(duì)此類基礎(chǔ)的系統(tǒng)性研究還比較少。本文將對(duì)輻射梁式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方面的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)地分析，并對(duì)施工方面的要點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 輻射梁式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

基礎(chǔ)是上部風(fēng)機(jī)機(jī)組的支撐，由于風(fēng)機(jī)機(jī)組高度一般在80 m左右，而直徑只有約4 m，屬于典型的高聳結(jié)構(gòu)，所以合理的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)組的安全起著決定性的作用，并且很大程度上影響工程的造價(jià)。輻射梁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外觀類似于民用建筑中的筏板式基礎(chǔ)，但受力情況與之又有很大的不同。基礎(chǔ)不僅受到豎向荷載和水平荷載，還將長期受到上部結(jié)構(gòu)傳來的持續(xù)循環(huán)性傾覆力矩。輻射梁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 輻射梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

輻射梁式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)尺寸的擬定、基礎(chǔ)穩(wěn)定計(jì)算、地基承載力計(jì)算、沉降計(jì)算、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及配筋計(jì)算、裂縫驗(yàn)算、基礎(chǔ)環(huán)抗拔驗(yàn)算、地基動(dòng)態(tài)剛度驗(yàn)算以及基礎(chǔ)疲勞驗(yàn)算等[5]。輻射梁式基礎(chǔ)是傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)的改良，所以在基礎(chǔ)尺寸的擬定、基礎(chǔ)穩(wěn)定計(jì)算、地基承載力計(jì)算、沉降計(jì)算、基礎(chǔ)環(huán)抗拔驗(yàn)算、地基動(dòng)態(tài)剛度驗(yàn)算以及基礎(chǔ)疲勞驗(yàn)算等方面的計(jì)算方法與傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)并無差異，而國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)的計(jì)算做過大量的研究和實(shí)踐，所以本章將不再對(duì)上述方面具體分析，將重點(diǎn)介紹輻射梁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及配筋計(jì)算方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

輻射梁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以分解為：基礎(chǔ)中心圓臺(tái)、八根主梁、外圈環(huán)形次梁、底板。其中圓臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)環(huán)抗拔驗(yàn)算，計(jì)算內(nèi)容同傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)相同，將不再贅述，故本節(jié)主要介紹主梁、次梁、底板的結(jié)構(gòu)計(jì)算步驟及要點(diǎn)。

1.1 基底反力計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算的第一步是求解基底反力。本結(jié)構(gòu)圓形基礎(chǔ)的基底反力pmax、pmin應(yīng)按照《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50135相關(guān)規(guī)定求解，若基底在控制工況下出現(xiàn)脫空，還應(yīng)計(jì)算受壓面積寬度ac[6]。由于輻射梁式基礎(chǔ)上部有約2～3 m厚的覆土，故應(yīng)用基底反力pmax、pmin減去上覆土和基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力而得到基底凈反力pjmax、pjmin，基底出現(xiàn)脫空時(shí)，受壓面積寬度ac偏安全考慮不因上覆土和基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力而增長。

在控制工況作用下，基礎(chǔ)一側(cè)向上的基底反力達(dá)到最大，這一側(cè)稱為反力側(cè)；基礎(chǔ)另一側(cè)基底反力達(dá)到最小甚至出現(xiàn)部分基礎(chǔ)脫空，此時(shí)這一側(cè)上覆土和基礎(chǔ)自重壓力將大于基底反力從而使基礎(chǔ)這一側(cè)受到向下的壓力，這一側(cè)稱為壓力側(cè)。

1.2 主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)在控制工況下，在最危險(xiǎn)截面處計(jì)算主梁的頂部縱筋、底部縱筋、箍筋和腰筋，并驗(yàn)算主梁頂部和底部裂縫是否滿足規(guī)范要求。

1.2.1 反力側(cè)主梁配筋計(jì)算

控制工況下，反力側(cè)主梁在正彎矩的作用下，底部縱筋將達(dá)到最大受力狀態(tài)，應(yīng)計(jì)算此時(shí)主梁底部縱筋配筋面積、箍筋面積、腰筋面積。

反力側(cè)主梁受力主要為底板和次梁傳遞來的基底凈反力，每根主梁所分配到的基底凈反力受力區(qū)域應(yīng)按圖2所示的扇形陰影面積考慮(示意圖中按基底在控制工況下出現(xiàn)脫空作為示例說明)。

圖2 反力側(cè)主梁受力示意圖

主梁屬于線型變截面梁，A點(diǎn)處的梁高往往是C點(diǎn)處梁高的2～2.5倍，最危險(xiǎn)截面應(yīng)在主梁根部A點(diǎn)處。應(yīng)用微積分對(duì)陰影部分求解可得出控制工況下A點(diǎn)處的彎矩和剪力。然后根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定，對(duì)A截面進(jìn)行受剪截面驗(yàn)算、正截面受彎承載力計(jì)算、斜截面受剪承載力計(jì)算，從而得到主梁底部縱筋面積、主梁箍筋面積和腰筋面積。

1.2.2 壓力側(cè)主梁頂部配筋計(jì)算

控制工況下，壓力側(cè)主梁在負(fù)彎矩的作用下，頂部縱筋將達(dá)到最大受力狀態(tài)，應(yīng)計(jì)算此時(shí)主梁頂部縱筋配筋面積、箍筋面積、腰筋面積。

壓力側(cè)主梁受力主要為上覆土和自重壓力和底板和次梁傳遞來的基底反力，偏安全考慮，不考慮基底反力的有利影響。每根主梁所分配到的壓力區(qū)域應(yīng)按圖3所示的扇形陰影面積考慮。

圖3 壓力側(cè)主梁受力示意圖

此時(shí)主梁的最危險(xiǎn)截面仍然應(yīng)在主梁根部A點(diǎn)處。應(yīng)用微積分對(duì)陰影部分求解可得出控制工況下A點(diǎn)處的彎矩和剪力。然后根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定，對(duì)A截面進(jìn)行受剪截面驗(yàn)算、正截面受彎承載力計(jì)算、斜截面受剪承載力計(jì)算，從而得到頂部縱筋面積、箍筋面積和腰筋面積。

1.2.3 主梁配筋結(jié)果與尺寸調(diào)整

縱筋配筋結(jié)果：底部縱筋應(yīng)按1.2.1中反力側(cè)荷載模式下得到的底部縱筋面積取值，并驗(yàn)算主梁底部裂縫；頂部縱筋應(yīng)按1.2.2中壓力側(cè)荷載模式下得到的頂部縱筋面積取值，并驗(yàn)算主梁頂部裂縫。

箍筋配筋結(jié)果：應(yīng)比較1.2.1中反力側(cè)荷載模式下得到的箍筋面積與1.2.2中壓力側(cè)荷載模式下得到的箍筋面積，取兩者中的大值作為主梁的箍筋面積。

腰筋配筋結(jié)果：應(yīng)比較1.2.1中反力側(cè)荷載模式下得到的腰筋面積與1.2.2中壓力側(cè)荷載模式下得到的腰筋面積，取兩者中的大值作為主梁的腰筋面積。

其他構(gòu)造鋼筋應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定設(shè)置。

尺寸調(diào)整：若配筋出現(xiàn)超筋或鋼筋應(yīng)力過小的情況時(shí)，應(yīng)調(diào)整主梁的尺寸；若裂縫不滿足要求，應(yīng)調(diào)整鋼筋量或主梁尺寸，再按本節(jié)中的步驟重新進(jìn)行配筋驗(yàn)算。

1.3 次梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

次梁結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)在控制工況下，在最危險(xiǎn)截面處計(jì)算次梁的縱筋、箍筋和腰筋，并驗(yàn)算次梁裂縫。本文中次梁采用配置對(duì)稱縱筋來說明計(jì)算要點(diǎn)，也可根據(jù)項(xiàng)目具體情況采用不對(duì)稱配筋。

1.3.1 次梁荷載計(jì)算

次梁呈環(huán)形，被八根主梁分隔為八小段，每段的兩端與主梁連接，鋼筋伸入主梁內(nèi)部，故連接方式為固接；每段底部與底板連接，底板鋼筋伸入次梁內(nèi)部，故與底板的連接方式也為固接。此時(shí)次梁主要承受底板傳來的地基反力與土壓力，底板可參照四邊固支板的受力模式，荷載線按45°線分配至四邊，所以次梁的受力區(qū)域如圖4所示。

圖4 次梁受力區(qū)域示意圖

在控制工況下，反力側(cè)次梁主要承受的是陰影部分底板傳遞來的基底凈反力，用微積分可以求得次梁上的線型荷載分布情況，然后按照兩端固支梁計(jì)算可得跨中彎矩、支座負(fù)彎矩、支座處剪力以及扭矩。

在控制工況下，壓力側(cè)次梁主要承受的是陰影部分底板傳遞來的上覆土壓力和自重，按上述同樣方法可求得跨中彎矩、支座負(fù)彎矩、支座處剪力。

次梁采用對(duì)稱配筋，故不再區(qū)分正彎矩和負(fù)彎矩(若采用不對(duì)稱配筋則應(yīng)分正彎矩和負(fù)彎矩分別計(jì)算次梁底部和頂部配筋)。對(duì)比反力側(cè)的跨中彎矩、支座負(fù)彎矩和壓力側(cè)的跨中彎矩、支座負(fù)彎矩，可得到次梁上的最大彎矩；對(duì)比反力側(cè)的支座剪力和壓力側(cè)的支座剪力可得次梁上的最大剪力。

1.3.2 次梁配筋計(jì)算和尺寸調(diào)整

在1.3.1中得到截面最大彎矩和最大剪力后，應(yīng)根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定，按照對(duì)稱配筋對(duì)次梁進(jìn)行受剪截面驗(yàn)算、正截面受彎承載力計(jì)算、斜截面受剪承載力計(jì)算，從而得到次梁縱筋面積、箍筋面積和腰筋面積，并驗(yàn)算次梁裂縫是否滿足要求。其他構(gòu)造鋼筋應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定設(shè)置。

若配筋出現(xiàn)超筋或鋼筋應(yīng)力過小的情況時(shí)，應(yīng)調(diào)整次梁的尺寸；若裂縫不滿足要求，應(yīng)調(diào)整鋼筋量或次梁尺寸，再按本節(jié)中的步驟重新進(jìn)行配筋驗(yàn)算。

1.4 底板結(jié)構(gòu)計(jì)算

底板結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)在控制工況下，分徑向和環(huán)向分別計(jì)算所需的縱筋數(shù)量。

2級(jí)：使用6/0～7/0無創(chuàng)線連續(xù)或間斷縫合（針距1～3 mm，邊距1 mm）并將可吸收止血紗或明膠海綿覆蓋在縫合口之上。注意縱形縫合且進(jìn)針要淺，為避免傷及脊髓和馬尾神經(jīng)，縫合應(yīng)從創(chuàng)口兩端開始并提起縫合。

1.4.1 底板荷載計(jì)算

由于底板與主梁、次梁、圓臺(tái)的連接均為固支，且底板兩個(gè)方向尺寸一般差別不大，所以可參照四邊固支雙向板的受力模式來分析計(jì)算。底板的形狀為扇形，可以偏安全得簡化為矩形截面來計(jì)算，徑向板帶計(jì)算長度取扇形徑向長度，環(huán)向板帶計(jì)算長度偏安全取扇形外側(cè)最大弧長。

在控制工況下，反力側(cè)底板主要承受的是基底凈反力，按四邊固支雙向板計(jì)算可得反力側(cè)徑向和環(huán)向的跨中正彎矩和支座處彎矩；壓力側(cè)底板主要承受的是上覆土壓力和自重，計(jì)算可得壓力側(cè)徑向和環(huán)向的跨中正彎矩和支座處彎矩。

底板采用對(duì)稱配筋，對(duì)比反力側(cè)和壓力側(cè)徑向的跨中正彎矩和支座處彎矩可得徑向最大彎矩，同理可得環(huán)向最大彎矩。

1.4.2 底板配筋計(jì)算和厚度調(diào)整

在1.4.1中分別得了環(huán)向和徑向最大彎矩，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定，按照對(duì)稱配筋對(duì)底板進(jìn)行正截面受彎承載力計(jì)算，從而得到底板上部和下部的縱筋面積。其他構(gòu)造鋼筋應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定設(shè)置。

2 輻射梁式基礎(chǔ)施工要點(diǎn)

輻射梁式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的施工順序應(yīng)為：測(cè)量放樣→基礎(chǔ)開挖→基礎(chǔ)環(huán)支撐件預(yù)埋鋼板放樣→墊層澆筑→基礎(chǔ)環(huán)支撐件安裝→基礎(chǔ)環(huán)安放調(diào)平→底板、主梁、次梁鋼筋綁扎→預(yù)埋件安裝→混凝土澆筑→混凝土養(yǎng)護(hù)→回填夯實(shí)。其中大部分工序的施工方法可參照傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)的施工方法，目前已經(jīng)比較成熟。但由于輻射梁基礎(chǔ)自身的特點(diǎn)，次梁鋼筋綁扎和回填壓實(shí)這兩個(gè)施工過程應(yīng)作為施工過程的重點(diǎn)，以保證基礎(chǔ)的質(zhì)量。

2.1 次梁鋼筋綁扎

由圖1可看出，輻射梁式基礎(chǔ)的次梁為環(huán)梁，次梁的縱筋呈環(huán)狀。在鋼筋綁扎的施工過程中，一般需要先綁扎主梁的鋼筋，而后將次梁的縱向鋼筋伸入主梁中而形成整體；次梁的箍筋需要在穿縱筋之前立在主梁邊，縱筋從主梁中穿過時(shí)同時(shí)也從次梁箍筋之中穿過，而后將次梁箍筋移動(dòng)到設(shè)計(jì)的位置；最后將次梁縱筋接頭相連接。由此可見主梁鋼筋和次梁箍筋對(duì)次梁縱筋起到了很強(qiáng)的限位作用，致使一旦次梁縱筋的彎曲度和安裝長度出現(xiàn)較大的制造誤差或安裝誤差，就只能在現(xiàn)場(chǎng)用撬棍調(diào)整縱筋位置，浪費(fèi)人力和工期，若誤差較大則會(huì)引起返工?；谝陨鲜┕み^程，本文建議如下：

1)對(duì)次梁縱筋的安裝長度、曲率以及和箍筋的尺寸要在鋼筋加工場(chǎng)嚴(yán)格把關(guān)，盡量減小制作誤差。

2)每層鋼筋的現(xiàn)場(chǎng)放樣都要準(zhǔn)確，減小安裝誤差從而減小安裝難度。特別要控制次梁上層鋼筋的放樣精度，由于模板一般采用圓形的鋼模板，外形曲率是固定的，若上部鋼筋放樣位置出現(xiàn)偏差，則會(huì)造成混凝土保護(hù)層厚度不足。

3)由于單根鋼筋的長度有限，次梁鋼筋需要將多根鋼筋連接。鋼筋連接接頭的設(shè)置需嚴(yán)格按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010的相關(guān)規(guī)定。由于在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，次梁不斷受到循環(huán)荷載的影響，要求鋼筋能承受反復(fù)拉壓的影響，殘余變形要小，對(duì)鋼筋的延性要求也較高，所以本文推薦次梁縱筋使用機(jī)械套筒連接，應(yīng)按照《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》JGJ107的相關(guān)規(guī)定[7]。

4)為減小次梁縱筋安裝難度，當(dāng)出現(xiàn)誤差時(shí)方便糾正，本文推薦使用較小直徑的鋼筋作為次梁縱筋，縱筋直徑一般不宜超過25 mm。

2.2 回填壓實(shí)

風(fēng)機(jī)荷載是由輻射梁式基礎(chǔ)與其上覆土共同承擔(dān)的，所以上覆土的回填壓實(shí)質(zhì)量對(duì)工程的安全至關(guān)重要。

1)回填材料?；靥畈牧峡蛇x用經(jīng)過監(jiān)理確認(rèn)的基礎(chǔ)開挖土石料，也可以從經(jīng)過監(jiān)理確認(rèn)的取土區(qū)取土，石料最大粒徑不得大于10 cm，以防止大塊料堆集，造成架空而難以壓實(shí)?；靥畈牧现胁坏煤兄脖弧⒉萜?、腐殖土和雜物等，回填前應(yīng)清楚基坑中的積水、淤泥。為保證上覆土對(duì)基礎(chǔ)的壓重，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙嚴(yán)格控制壓實(shí)后土石料的干密度。

2)壓實(shí)機(jī)械。常用的碾壓機(jī)械有靜壓碾壓、振動(dòng)碾壓和夯擊?；A(chǔ)上方進(jìn)行回填壓實(shí)施工時(shí)，為避免壓實(shí)機(jī)械對(duì)基礎(chǔ)造成損壞，所以應(yīng)使用輕型的靜壓碾壓或振動(dòng)碾壓，不可使用夯擊。當(dāng)基礎(chǔ)混凝土之上土層厚度不足300 mm時(shí)，應(yīng)采用人工夯實(shí)。壓實(shí)分層的厚度、每層壓實(shí)的遍數(shù)和填土質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)參照《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50202的相關(guān)內(nèi)容[8]。

3)回填土表面處理?；靥罘秶鷥?nèi)的填土高度不可低于周圍地面，以防止雨后積水影響檢修，并且回填時(shí)應(yīng)按不同的土質(zhì)預(yù)留一定的沉降量。為將雨水及時(shí)從回填范圍內(nèi)排走，回填土應(yīng)設(shè)置一定的坡度，并且應(yīng)在回填土之上鋪設(shè)一定厚度的級(jí)配碎石以防止沖刷。

3 結(jié) 語

輻射梁式基礎(chǔ)的造價(jià)低，應(yīng)用范圍廣，在清潔能源越來越受到重視的背景下，該類型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)輻射梁式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容分步驟進(jìn)行了詳細(xì)分析，并切合實(shí)際地對(duì)施工要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)今后輻射梁式基礎(chǔ)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用具有參考價(jià)值。