陆上风机基础结构分析及设计优化

 陆上风机基础结构分析及设计优化

 杜宗轩

所在单位：华能环县新能源有限公司 单位省市：甘肃省庆阳市 单位邮编：745714

摘要：近年来，随着经济的发展和能源转型的深化，风力发电得到了迅速的发展，其装机容量逐年增加，使得风电成为了国内第三大电源，仅次于火电和水电。作为特种设备的重要支撑结构，风机基础设计受到了行业的广泛关注和发展。本文旨在介绍风机基础设计现行规范的主要计算设计方法，并结合某风电场项目进行地基承载力和基础强度的验算。通过提出相应节点的优化设计，并进行与优化前的部分进行差别对比，旨在为项目基础降低工程量、节约整体度电成本提供参考。

关键词：风力发电;塔架基础;结构计算;设计优化;

在过去的十年中，我国风电产业经历了快速发展，如今已成为国内第三大电源，仅次于火电和水电。风电不仅是我国高新技术产业之一，也为实现可持续发展提供了重要支撑。我国在风电领域取得了引人注目的成就，产业规模迅速扩大，新增和累计装机连续多年领先全球。

发布风电标杆电价、制定海上风电电价政策以及解决风电消纳问题的一系列政策措施推动了风电行业的持续快速发展。随着新能源标杆电价的逐步下调、平价上网和竞争性配置项目等政策的出台，我国的风电和光伏发电进入了平价上网的时代。

近年来，为了降低度电成本并确保低风速地区项目的盈利，风电机组趋向于大容量和高轮毂，基础载荷水平显著提高。风机基础作为风力机组的固定端，在保证风机正常发电方面起着关键作用。由于地质条件和施工环境的复杂性，对风机基础的选型和安全性研究具有重要意义。虽然国内外风电市场发展迅猛，但相关风电技术标准的制定却严重滞后，特别是在圆形基础底板设计方面存在着方法不统一的问题。目前，风机基础设计主要参考《风电机组地基基础设计规定》（FD003—2007），并借鉴建筑和电力行业的相关规范，最终完成整体基础设计和验算工作。对规范的理解和条文的适用成为影响风机基础设计的关键因素。

1 风机基础计算方法

1.1 基本规定

风机基础设计包括基础和地基两个方面。基础设计涵盖了基础选型、埋置深度确定、基底面积大小和基础强度的计算分析等内容。地基设计则包括地基土的承载力确定、地基变形计算和地基稳定性计算等内容。规范还明确规定了适用于风机基础的相关系数。

由于基础承受着360°方向重复荷载和大偏心荷载的特殊性，对基础的稳定性要求较高。基于机组塔架基础地基设计级别的划分，根据轮毂高度、单机容量和地质复杂程度的不同，规范确定了相应的基础设计等级。此外，根据机组基础结构的安全等级，还确定了相应的安全系数γ0。

由于风荷载具有较大的随机性且难以模拟，在与地基承载力和基础稳定性相关的计算中，上部结构传递至塔筒底部与基础顶面交界处的荷载应采用经过荷载修正安全系数k0修正后的荷载修正标准值。

目前的风机基础现行规范无法完全验算圆形扩展基础的形式。因此，本文结合几本相关规范系统地阐述了主要的验算步骤和适用公式，并整理出一套较为完善的设计流程。

1.2 地基承载力计算

建筑地基基础设计规定当扩展基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时,地基承载力特征值可按式(1)进行修正:

基础承受偏心载荷是地基承载力应满足式(2):

高耸规范对于圆形基础,基础在核心区外承受偏心荷载,由式(3)、式(4),判断基底脱开情况:

当基底出现零应力区,脱开面积不大于全部面积的1/4时,由偏心距e和受压区宽度来确定基础脱开面积。pk,max按式(5)进行计算:

1.3 基础沉降和倾斜变形计算

按分层总和法计算出的地基沉降值,基础的最终沉降值可按式(7)进行计算。

式中:p0k为荷载效应标准组合下,基础底面处的附加应力,根据基底实际受压面积计算;分别表示基础底面计算点至第i、i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

基础的倾斜率按式(8)进行计算,即沉降差控制:

1.4 基础的稳定性等计算

抗滑稳定最危险滑动面上的抗滑力与滑动力应满足式(9):

式中:FR为荷载效应基本组合下的抗滑力;FS为荷载效应基本组合下的滑动力修正值。

沿基础底面的抗倾覆稳定计算,其最危险计算工况应满足式(10):

式中:MR为荷载效应基本组合下的抗倾覆力矩;MS为荷载效应基本组合下的倾覆力矩修正值。

1.5 基础内力强度验算;

基础内力应进行局部抗弯、抗剪切、抗冲切验等算。对于常规扩展式基础形式规范给出计算其底板悬挑根部处的弯矩值[8],按照式(11)、式(12)确定:

1.6 混凝土裂缝

混凝土裂缝验算采用荷载标准组合或正常发电工况,并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度由式(13)[9]计算:

2 基础设计方案

2.1 项目信息

某风电场的装机容量为50MW，安装了20台单机容量为2.5MW的风力发电机组。该风电场采用天然地基方案，基础采用预应力锚栓连接形式，并以中风化白云岩作为天然地基的承载层。

在项目设计中，进行了以下主要内容的考虑：地基承载力验算、基础稳定性验算、基础底面与地基面积的脱开验算、地基沉降验算、基础动态刚度验算、基础的钢筋配筋和混凝土强度验算、局部压力验算、混凝土的抗冲切验算、裂缝验算以及疲劳破坏验算。

在荷载输入方面，采用主机厂家提供的不包含安全系数的载荷进行计算，并对地震附加应力采用底部剪切法进行叠加总和。以上这些设计内容都是为了确保风机基础的安全性和可靠性。

2.2 构造优化

FD003-2007规定基础边缘高度宜为底宽或直径的1/15～1/20,且应不小于1.0m。采用低于1.0m做法,经对基础边缘承载力计算,降低截面厚度基础抗剪切、抗冲切承载力符合规范要求。项目基础边缘高度设置为0.9m,有效降低了基础工程量,如图1所示。

图1 边缘高度减小体型示意

GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》[10]中台阶宽高比应小于或等于2.5,保证基础底面应力线性分布,在基本假定基础上进行底板弯矩简化计算。经有限元分析,宽高比适当放宽,可降低基础方量,如图2所示。基底压力基本保持线性分布趋势。

图2 宽阶比放宽体型示意

2.3 载荷优化

欧洲标准EN1992-1、美国标准ACI318-11、试行规范计算基础偏心距时,3种标准都是用按标准组合作用于基础底面的弯矩值除以竖向荷载标准值。不同的是,FD003—2007仍将基础底面的弯矩值乘以荷载安全系数k0,导致其偏心距略大于欧、美标准设计值[11]。目前主机厂家载荷计算相对国外主机厂较大,计算结果相对保守。设计单位基础设计过程中将安全系数继续叠加,使得基础顶端载荷存在优化空间。本项目荷载修正安全系数取值低于规范值,结果表明可有效降低基础整体载荷。

2.4 工程量对比

项目分别采用常规计算方法于优化设计方法进行验算,基础工程量大幅降低,基础外形尺寸结果见表1,优化前后工程量对比见表2。

表1 单台基础主要工程量对比

表2 单台基础主要工程量对比

3 结论与展望

综上所述，新能源发展，风力发电进入平价时代，降低风电场建设成本是关键。风机基础优化至关重要，采用预应力锚栓基础，核心区混凝土始终受压，具有良好抗疲劳性能。优化设计可减少混凝土和钢筋用量，应用前景广阔，有参考意义。风电行业规范需加强风机基础设计的系统性和适用性。风机厂家荷载计算存在安全系数和较大安全裕度，导致基础工程量较高。随着风电项目快速发展和实践经验积累，计算手段不断改进，本构关系理解提高，风机基础设计日趋成熟。确立经济适用、安全稳定的基础设计方案关乎降低风电场建设成本和提高效率。

参考文献：

[1] 平价上网时代新能源发电经济性分析和发展趋势[J]. 娄奇鹤;谢国辉;李娜娜.中国电力,2019(12)

[2] 深化国际合作 让风电吹动全球绿色发展[J]. 秦海岩.风能,2019(10)

[3] 某陆上风电场风机基础选型及结构安全性分析[J]. 朱峰林.水电与新能源,2018(10)

[4] 中美欧风电机组独立基础设计方法对比分析[J]. 门进杰;黄贺鹏;兰涛;曾超波;徐超.工业建筑,2018(03)

[5] 风机基础结构设计与计算[J]. 张宁;郭春雷;孙建勋.水利水电工程设计,2018(01)

[6] 陆上风机圆形基础底板承载力计算方法研究[J]. 梅毕祥;杨敏.港工技术,2016(02)