風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)新舊規(guī)范對比分析

肖劍 姚秀萍 牛清華 鄭以微

(北京天潤新能投資有限公司 100029)

引言

風(fēng)力發(fā)電作為新能源行業(yè)重要的組成部分，近年來得到迅猛發(fā)展，年裝機(jī)量持續(xù)大幅上升。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵的支撐結(jié)構(gòu)，其地位和作用尤為凸顯。我國關(guān)于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的專項(xiàng)設(shè)計(jì)經(jīng)歷諸多階段，逐步發(fā)展總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，形成規(guī)范，并創(chuàng)新發(fā)展了多種基礎(chǔ)形式。隨著風(fēng)電進(jìn)入平價(jià)時(shí)代，控制風(fēng)電場建設(shè)造價(jià)是降低度電成本的重要措施。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)規(guī)范經(jīng)歷十余年試用、使用，于近期開始實(shí)施，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)入一個(gè)更為精細(xì)化、定制化的新階段。

國內(nèi)風(fēng)電起步階段，由于風(fēng)機(jī)多為國外進(jìn)口，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)圖紙多采用廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)圖紙，設(shè)計(jì)單位缺乏自主性。隨著近些年風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，我國風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、分析水平也大幅提高[1]。2007年，中國水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院發(fā)布了《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(試用)》(FD 003 2007)[2]，本文簡稱“舊規(guī)”。舊規(guī)統(tǒng)一了計(jì)算方法，提高自主設(shè)計(jì)能力，擺脫了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)套用國外規(guī)范的情況。舊規(guī)主要以矩形風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為切入點(diǎn)，結(jié)合其他規(guī)范進(jìn)行深化、強(qiáng)化形成，推動了國內(nèi)設(shè)計(jì)工作廣泛展開，使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有據(jù)可依，保證了各風(fēng)電場項(xiàng)目快速推進(jìn)，具有里程碑意義。

經(jīng)過十幾年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組荷載、高度都已提高，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)愈加豐富，為適應(yīng)迅猛發(fā)展的風(fēng)電形勢，貫徹執(zhí)行國家行業(yè)政策，2020年國家能源局編制的《陸上風(fēng)電工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10311—2019)[3]發(fā)布實(shí)施，本文簡稱“新規(guī)”。新規(guī)增加了圓形基礎(chǔ)形式及幾種新型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式，明確了計(jì)算參照的方法原則，提高了規(guī)范系統(tǒng)性和適用性。

本文以實(shí)際項(xiàng)目為依托，采用重力擴(kuò)展式基礎(chǔ)作為分析對象，基于通用基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流程解讀基礎(chǔ)在新舊規(guī)范下條款、參數(shù)設(shè)定等方面的差異，并進(jìn)行結(jié)果對比。

1 規(guī)范主要條款解讀

1.1 基本規(guī)定

1.地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)級別

根據(jù)建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級及長期荷載作用下地基變形對上部結(jié)構(gòu)的影響程度，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)。新規(guī)范在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)級別界定做了新的劃分，新舊規(guī)范差異見表1。

表1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)級別Tab.1 Design level of the foundation

2.荷載安全修正系數(shù)

荷載修正安全系數(shù)取值是基礎(chǔ)優(yōu)化的關(guān)鍵因素，該值直接決定荷載設(shè)計(jì)值的大小，新舊規(guī)范在荷載安全修正系數(shù)規(guī)定方面存在差異。舊規(guī)5.0.7條:鑒于風(fēng)電機(jī)組主要荷載風(fēng)荷載的隨機(jī)性較大，且不易模擬，在與地基承載力、基礎(chǔ)穩(wěn)定性有關(guān)的計(jì)算中，上部結(jié)構(gòu)傳至塔筒底部與基礎(chǔ)交界面的荷載應(yīng)采用經(jīng)荷載修正安全系數(shù)(k0)修正后的荷載修正標(biāo)準(zhǔn)值。新規(guī)針對荷載修正系數(shù)未做具體規(guī)定，此項(xiàng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)影響敏感因素，較大程度降低了基礎(chǔ)荷載設(shè)計(jì)值。

1.2 荷載及荷載效應(yīng)組合

新規(guī)與舊規(guī)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)驗(yàn)算主要方面基本保持一致，在具體荷載分項(xiàng)系數(shù)新規(guī)做了調(diào)整，主要差異見表2。

表2 主要荷載的分項(xiàng)系數(shù)Tab.2 Sub-factors of main loads

1.3 地基計(jì)算

舊規(guī)8.1.4條針對擴(kuò)展基礎(chǔ)和梁板基礎(chǔ)滿足基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相關(guān)承載力、變形和穩(wěn)定性要求外，還應(yīng)滿足脫開要求。新規(guī)6.1.3條針對脫開面積比做出了調(diào)整，見表3。允許脫開面積指標(biāo)的修改，弱化了多遇地震產(chǎn)生的附加荷載對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)體型的影響。

表3 擴(kuò)展基礎(chǔ)、梁板基礎(chǔ)基底允許脫開面積對比Tab.3 Comparison of allowable disengagement area of expanded foundation and beam-slab foundation

1.4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1.構(gòu)造規(guī)定

新規(guī)7.2.1條中規(guī)定了擴(kuò)展基礎(chǔ)半徑R及總高度H的適宜范圍，且明確基礎(chǔ)邊緣高度H1宜為擴(kuò)展基礎(chǔ)半徑R的1/40～1/30，且不宜小于0.6m。舊規(guī)9.5.1條中規(guī)定，基礎(chǔ)邊緣高度H1宜為底寬或直徑的1/20～1/15，且應(yīng)不小于1.0m?；A(chǔ)邊緣厚度的構(gòu)造要求，對基礎(chǔ)工程量影響較大。

2.底板內(nèi)力計(jì)算

底板彎矩設(shè)計(jì)值是決定基礎(chǔ)配筋的重要依據(jù)，計(jì)算基礎(chǔ)底板內(nèi)力時(shí)，可按均布荷載采用。底板彎矩值以及基底均布壓力值在規(guī)范中均有對應(yīng)公式，新規(guī)7.2.6條中規(guī)定均布荷載應(yīng)取外懸挑2/3處的最大壓力:

式中:P為荷載效應(yīng)基本組合下圓形基礎(chǔ)近似均布地基凈反力(kPa)；N為荷載效應(yīng)基本組合下作用在基礎(chǔ)頂面的垂直荷載設(shè)計(jì)值(kN)；M為荷載效應(yīng)基本組合下作用在基礎(chǔ)底面的總彎矩設(shè)計(jì)值(kN·m)；A為基礎(chǔ)底面實(shí)際受壓區(qū)面積(m2)；I為基礎(chǔ)底面慣性矩(m4)；R為基礎(chǔ)底板半徑(m)；r1為臺柱半徑(m)；Mdh為荷載效應(yīng)基本組合下基礎(chǔ)底板單位弧長彎矩設(shè)計(jì)值(kPa)。

舊規(guī)未明確計(jì)算基底內(nèi)力時(shí)底板最大壓力計(jì)算模型，一般采用《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50051—2013)[4]，選取外懸挑板中點(diǎn)處為最大壓力:

2 案例分析對比

2.1 基本信息

廣西某山地48MW風(fēng)電場工程項(xiàng)目，機(jī)組采用某廠家3MW機(jī)型，輪轂高度125m?；A(chǔ)主體混凝土強(qiáng)度C40，根據(jù)地勘報(bào)告基底地質(zhì)為基巖，基礎(chǔ)選用重力圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)。機(jī)型荷載信息如表4所示。

表4 機(jī)型荷載信息Tab.4 Model load information

2.2 地基承載力驗(yàn)算

根據(jù)荷載信息，采用相應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)分別進(jìn)行該項(xiàng)目地基承載力、沉降、穩(wěn)定性等方面的驗(yàn)算，結(jié)合規(guī)范構(gòu)造及相關(guān)要求得到基礎(chǔ)體型，見表5。

表5 基礎(chǔ)體型對比Tab.5 Basic body type comparison

2.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范分別進(jìn)行各工況下的基礎(chǔ)相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容驗(yàn)算，如抗彎、抗剪、穩(wěn)定分析、混凝土裂縫、疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等。其中基礎(chǔ)抗彎驗(yàn)算在新規(guī)中給出了明確公式，參照對應(yīng)規(guī)范中公式進(jìn)行該項(xiàng)目的底板截面抗彎計(jì)算，按結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求進(jìn)行鋼筋配置。計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 抗彎鋼筋配置Tab.6 Flexural reinforcement configuration

2.4 工程量對比

重力擴(kuò)展基礎(chǔ)在新舊規(guī)范計(jì)算方法下，工程量差異明顯。通過主要條款的對比分析，項(xiàng)目工程量明顯降低，混凝土用量及鋼筋重量對比具體差值見表7。

表7 工程量差異對比Tab.7 Comparison of project quantity difference

3 結(jié)語

通過新舊規(guī)范對項(xiàng)目實(shí)際對比分析得出，新規(guī)范中基礎(chǔ)荷載修正系數(shù)的取消、邊緣高度的降低、脫開面積的控制指標(biāo)的改變是基礎(chǔ)工程量體型影響的敏感因素。新規(guī)范的發(fā)布實(shí)施有效降低了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程量，使基礎(chǔ)優(yōu)化工作有據(jù)可依。新舊規(guī)范在具體條款規(guī)定以及內(nèi)容涵蓋方面存在諸多差異，本文不一一列舉，設(shè)計(jì)單位需根據(jù)具體項(xiàng)目情況分析判斷綜合使用。