我国风力发电机组地基基础设计

我国风力发电机组地基基础设计

尹开新

新疆金风科技股份有限公司 北京市 830026

摘要：近年来，随着传统能源危机的发展和生态环境的破坏，各种新型清洁能源的应用已成为未来能源资源发展的方向。风力发电机组作为清洁能源发电的技术支撑设备，已逐渐成为我国风电设备中不可缺少的一部分。风机基础设计是影响风电机组正常运行的前提和关键因素。

关键词：中国风电机组；设计；分析；

研究风电作为一种清洁新能源在我国发展迅速，风资源状况（切边、紊流等）相对复杂多变，涉及并网、离网、变桨距和偏航控制策略，这使得在塔底荷载的提取和基础设计条件的复杂化变得困难。另外，大型机舱和大型叶片均装在风电机组的顶部，其荷载较大，变幅疲劳荷载较大，给塔基的设计和施工带来困难。风电机组基础的设计与分析，需要对地质堪查报告和场地地形进行深入的了解和分析，正确判断工程现场的地基条件，然后根据风场的风模型和单元的参数计算地基荷载。

1风机基础设计的基本要求和一般步骤

1.1风机基础设计的基本要求

在《建筑地基基础设计规范》当中有相关的规定，基础的设计需要进行承载力变形以及稳定性的验算和设计。这些要求使得在进行基础设计的过程当中需要保证基础具有足够的强度和刚度，同时还要避免在荷载的作用之下，地基产生过大的倾斜和变形。保障技术在荷载作用下有足够的强度，避免在荷载的作用下，地基出现破坏和开裂的现象。再有就是需要保证基础在动荷载作用之下不会产生过大的震动，尤其是对于风机地基基础来说，其本身振动就比较大，风机基础设计的时候需要进行详细的计算，并且采取有效的减震措施，以免影响到设备的正常运行以及邻近设备的正常使用。

1.2基础形式选择

国内陆上风力机基础应用较多的是重力式基础（扩展基础）和桩基础、岩石锚杆基础。当地质情况较好，基底所在土层能满足或通过地基处理能满足承载力、沉降要求时可选用扩展基础。扩展基础的形式多样，应用较广的是圆形及圆形肋梁基础、方形、八角形。由于陆上风力机基础承受巨大的弯矩荷载，竖向和水平荷载相对较小，与其他结构扩展基础受力特性存在较大差异，扩展基础的基底反力分布对基础的受力特性影响较大。当基底基底所在土层不能满足或通过地基处理不能满足承载力、沉降要求时，需采用桩基础。桩基础按成桩工艺常见的桩型有干作业钻孔灌注桩、泥浆护壁钻孔灌注桩、PHC预应力管桩等常见桩型，风机基础设计时应根据项目具体地勘土质情况进行综合比较，选择安全可靠、经济合理的基础形式。

2风力发电机基础的设计因素

主要因素要求可分为以下几类：（1）基础特征。它涉及地质勘探中岩土的分类和相应的岩土工程特性指标(2）荷载、荷载条件和荷载效应的组合系数和分项系数(3）计算内容和方法。如：地基承载力和压缩性能计算、地基变形计算等，保证风机正常运行的稳定性计算。4）基础设计。这一方面包括基础的扩展、桩基础的设计、锚杆基础的设计、基本结构的设置标准等。5）地基处理的类型和方法。例如，土石复合地基、压实填土地基、软土地基和岩石地基等的处理。6）试验和监测。这也是风力机基础设计的关键因素，也是保证风机基础标准的质量障碍。只有明确的试验和监测要求和标准，才能进一步完善风机基础设计工作。

3风电基础设计

3.1扩展基础底板弯矩和配筋计算

设计规范规定扩展基础底板的配筋应按抗弯计算确定,用于配筋的弯矩值可按承受均布荷载的悬臂构件进行计算,弯矩计算位置宜选择在基础变截面处(即基础台柱边缘处)。对于基础底板底面,基础变截面处单位弧长的弯矩设计值可根据基础底面近似均布地基净反力(均布荷载)计算,近似均布地基净反力应取基础外悬挑2/3处的最大压力。对于基础底板顶面,基础变截面处单位弧长的弯矩设计值可根据基础顶面近似均布荷载计算,近似均布荷载应取外悬挑边缘处的最大压力。圆形基础底板宜采用径向和环向配筋,单位弧长径向配筋弯矩和环向配筋弯矩,可分别取荷载效应基本组合下基础底板单位弧长弯矩设计值的2/3和1/3。配筋计算应符合现行国家标准GB50010-2010《混凝土结构设计规范》的有关规定。对于圆形基础底板底面近似均布地基净反力的确定:设计规定采用基础外悬挑边缘处的最大压力;而GB50051-2013《烟囱设计规范》和GB50135-2006《高耸结构设计规范》则均采用基础外悬挑中点处的最大压力,考虑到风电机组基础的外悬挑长度较长,取中点处的最大压力偏小,取边缘处的最大压力又过于保守,经试算,取基础外悬挑2/3处的最大压力,与《建筑结构静力计算手册》的精确计算方法相比,误差在4%~6%。因此设计规范采用基础外悬挑2/3处的最大压力是合适的。

3.2岩石预应力锚杆基础结构计算

设计规范将设计规定中的“岩石锚杆基础”修改为“岩石预应力锚杆基础”,这是因为风电机组基础具有承受360毅方向重复荷载和大偏心受力的特殊性,对地基基础的稳定性要求高。为了确保风电机组基础的安全可靠性,设计规范明确规定在较完整的岩石地基上应采用预应力锚杆与基岩连成整体。设计规范规定了岩石预应力锚杆基础结构的计算分析内容,包括基础台柱边缘、基础环与基础交接处受冲切承载力验算、基础底板抗弯计算、斜截面受剪承载力验算、锚杆预拉力计算、锚杆杆体抗拉承载力计算、锚杆锚固段注浆体与筋体、注浆体与岩体的抗拔承载力计算。特别是对预应力锚杆的选择、锚固段的长度和基岩的抗剪强度给出了详细的计算分析方法。

3.3预应力筒型基础计算

设计规范规定了预应力筒型基础的计算分析内容,包括地基承载力验算和变形验算、锚栓预拉力计算、混凝土筒体内力计算、锚板强度及其周围混凝土局部承压验算。特别是对地基承载力特征值、基底压力和基础侧面横向压力、基础顶面水平变形和基础转角、混凝土筒体强度、上锚板附近混凝土的局部压力给出了详细的计算分析方法。

3.4梳理基础设计系数之间的关系

梳理了基础设计的极限状态、设计状况、荷载效应组合、计算内容、荷载工况、主要荷载及分项系数之间的关系。为了帮助设计人员厘清相关概念,根据现行国家标准GB50153-2008《工程结构可靠性设计统一标准》、GB50068-2018《建筑结构可靠性设计统一标准》的相关规定,设计规范对风电机组基础设计的极限状态、设计状况、荷载效应组合、计算内容、荷载工况、主要荷载及分项系数进行了梳理,并以表格的形式列出了它们之间的对应关系。极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态,设计状况分为持久设计状况和偶然设计状况,荷载效应组合分为基本组合、偶然组合和标准组合,荷载工况分为正常运行、极端荷载、疲劳、多遇地震和罕遇地震工况,主要荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载,荷载分项系数包括基础结构重要性系数、荷载效应组合下的分项系数、地震作用分项系数等。

3.5连接件复核计算

目前,陆上风电机组塔筒与基础的连接件有基础环和锚笼环2种型式,设计规范对基础环的埋深、基础环底法兰的宽厚比和宽度等构造给出了具体要求,并提出了需要对基础环下法兰处混凝土的抗冲切、局部抗压和疲劳采用有限元等方法进行复核。设计规范还提出了应对锚笼环的锚栓受拉承载力、锚板强度、上锚板下混凝土局部受压、下锚板向上冲切等进行复核。

4结论

可以看出，在设计阶段，不仅需要对实际施工现场进行详细的地质堪查和土样分析，还需要对相应的方法和处理方法进行选择和验算，是促进风电机组稳定运行的基础工程，应严格遵守《风机基础设计规程（试行）》的规范和规范要求。

参考文献：

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