風(fēng)電機(jī)組樁基圓形承臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算

（中國電建集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450007）

0 引言

近年來我國風(fēng)電開發(fā)迅速發(fā)展，目前單機(jī)容量2.5MW風(fēng)電機(jī)組在平原地區(qū)廣泛應(yīng)用，平原地區(qū)風(fēng)機(jī)輪轂高度大，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)需承受巨大的彎矩荷載，而豎向荷載和水平荷載相對(duì)較小，基礎(chǔ)常采用樁基圓形承臺(tái)的基礎(chǔ)形式。目前風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用規(guī)范[1]，該規(guī)范要求承臺(tái)應(yīng)滿足抗沖切、抗剪切、抗彎承載力的要求[1]，但規(guī)范[1] ～[3]僅給出矩形承臺(tái)的正截面彎矩、受沖切承載力和斜截面受剪承載力的計(jì)算公式，對(duì)圓形承臺(tái)沒有明確規(guī)定。

文獻(xiàn)[4]提供了圓形承臺(tái)受彎承載力的計(jì)算方法，文獻(xiàn)[5]提出了圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)沖切計(jì)算的簡化模型，文獻(xiàn)[6]給出了圓形風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承臺(tái)有限元分析方法，文獻(xiàn)[7]提供了圓形橋墩承臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[8]給出了圓形角樁對(duì)矩形承臺(tái)沖切的計(jì)算方法。由于現(xiàn)行規(guī)范無圓形承臺(tái)的具體設(shè)計(jì)方法，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中很難操作，為此，本文推導(dǎo)了風(fēng)電機(jī)組樁基圓形承臺(tái)的抗彎計(jì)算、抗沖切驗(yàn)算和斜截面抗剪驗(yàn)算的計(jì)算公式，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證。

1 計(jì)算公式

風(fēng)電機(jī)組樁基礎(chǔ)和圓形承臺(tái)如圖1、2所示。圓形承臺(tái)底面半徑R1，外緣高度h1，棱臺(tái)高度h2，臺(tái)柱半徑R2，其高度h3，臺(tái)柱頂至承臺(tái)底的高度為H；兩圈樁，樁徑d，外圈樁布置半徑r1，樁數(shù)n1，內(nèi)圈樁布置半徑r2，樁數(shù)n2。

1.1 樁頂豎向力

平原風(fēng)電機(jī)組一般采用低樁承臺(tái)，承臺(tái)計(jì)算時(shí)可不考慮承臺(tái)及其上土重。

不計(jì)承臺(tái)及其上土重，荷載效應(yīng)基本組合下，樁頂豎向力計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)zk為上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向力；Frk為上部結(jié)構(gòu)傳來的水平力；Mrk為上部結(jié)構(gòu)傳來的水平力矩；γz為荷載分項(xiàng)系數(shù)，計(jì)算承臺(tái)底部彎矩時(shí)，取1.2，計(jì)算承臺(tái)頂部彎矩時(shí)，取1.0，抗沖切驗(yàn)算和斜截面抗剪驗(yàn)算時(shí)，取1.2；γm為荷載分項(xiàng)系數(shù)，抗彎計(jì)算、抗沖切驗(yàn)算、斜截面抗剪驗(yàn)算時(shí)，取1.5；xi為樁x坐標(biāo)，外圈樁xi=r1?cosθi，內(nèi)圈樁xi=r2?cosθi；θi為樁與承臺(tái)中心連線與Y軸正向的夾角。

1.2 抗彎計(jì)算

不計(jì)承臺(tái)及其上土重，荷載效應(yīng)基本組合下，承臺(tái)底部的一半樁基受壓而另一半樁基受拔，即圖1中y≥0的樁受壓，y＜0的樁受拔。

（1）承臺(tái)徑向彎矩

圓形承臺(tái)徑向彎矩計(jì)算截面取臺(tái)柱邊緣，應(yīng)分別計(jì)算承臺(tái)底部和承臺(tái)頂部徑向彎矩，計(jì)算公式：

（2）承臺(tái)配筋面積

承臺(tái)徑向鋼筋面積可根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）正截面受彎承載力計(jì)算求得，環(huán)向鋼筋按構(gòu)造配筋。徑、環(huán)向鋼筋單側(cè)縱向鋼筋的最小配筋率不小于0.2%[1]。

1.3 抗沖切驗(yàn)算

樁基圓形承臺(tái)應(yīng)驗(yàn)算臺(tái)柱對(duì)承臺(tái)的沖切和角樁對(duì)承臺(tái)的沖切。

圖1 圓形承臺(tái)外形尺寸圖

圖2 樁基平面布置圖

（1）臺(tái)柱對(duì)承臺(tái)的沖切

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)圈樁邊與臺(tái)柱邊緣的距離一般大于臺(tái)柱根部的承臺(tái)厚度，故臺(tái)柱對(duì)承臺(tái)的沖切破壞錐體采用臺(tái)柱邊緣向下的45°錐體。

（2）角樁對(duì)承臺(tái)的沖切

風(fēng)電機(jī)組外圈布樁緊湊，樁間凈距s，s/2常小于角樁向上沖切的45°錐體側(cè)面頂邊與底邊之間的水平距離，故角樁對(duì)承臺(tái)的沖切破壞錐體取圖2所示的1-2-3圓弧。

1.4 斜截面抗剪驗(yàn)算

樁基圓形承臺(tái)應(yīng)對(duì)臺(tái)柱邊緣和樁邊連線形成的貫通承臺(tái)的斜截面進(jìn)行抗剪驗(yàn)算，對(duì)圖1中的斜截面1-1、1-2分別進(jìn)行抗剪驗(yàn)算。

2 工程算例

某風(fēng)電場采用2.5MW風(fēng)機(jī)，基礎(chǔ)采用樁基圓形承臺(tái)，R1=10m，R2=3.4m，h1=1.0m，h2=1.7m，h3=1.0m，r1=9.4m，r2=6.7m，n1=24，n2=16，d=0.6m。極端荷載工況的載荷Fzk=6146.9kN，F(xiàn)rk=836.4kN，Mrk=111904kN?；炷罜40，鋼筋HRB400。

2.1 樁頂豎向力

不計(jì)承臺(tái)及其上土重，γz=1.2，γm=1.5時(shí)的樁頂豎向壓力、γz=1.0，γm=1.5時(shí)的樁頂豎向拔力見表1。

表1 樁頂豎向力設(shè)計(jì)值

備注：外圈樁N1～N24，內(nèi)圈樁N25～N40，樁編號(hào)隨Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)遞增。

2.2 抗彎計(jì)算

臺(tái)柱邊緣承臺(tái)底部徑向抗彎計(jì)算：

臺(tái)柱邊緣承臺(tái)頂部徑向抗彎計(jì)算：

2.3 抗沖切驗(yàn)算

（1）臺(tái)柱對(duì)承臺(tái)的沖切

（2）角樁對(duì)承臺(tái)的沖切

綜上，承臺(tái)抗沖切承載力滿足要求。

2.4 斜截面抗剪驗(yàn)算

（1）1-1斜截面

（1）1-2斜截面

綜上，承臺(tái)的斜截面抗剪承載力滿足要求。

3 結(jié)語

本文根據(jù)相關(guān)理論，推導(dǎo)了一種用于風(fēng)電機(jī)組樁基圓形承臺(tái)抗彎計(jì)算、抗沖切驗(yàn)算和斜截面抗剪驗(yàn)算的計(jì)算公式，并通過對(duì)實(shí)際工程計(jì)算，驗(yàn)證了此方法的可行性。該方法計(jì)算結(jié)果合理，操作簡單方便，對(duì)風(fēng)電機(jī)組樁基圓形承臺(tái)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。