陆上风机基础设计中应注意的几个问题

张楠

摘 要：近些年，我国风电事业发展迅猛。随着风电建设的快速发展，风机基础设计分析水平也显著提高。风机基础形式由最初的传统重力式扩展基础发展到梁板式基础、高台柱基础等多种基础形式。

关键词：风机基础;基础设计

1 风机基础形式分析

1.1 重力式扩展基础

钢筋混凝土重力式扩展基础是目前国内陆上风电场最常采用的一种基础形式。一般通过基础环或预应力锚栓将上部荷载传给基础。基础底面形状一般有正方形、六边形、八边形以及圆形，目前最常用的是正方形和圆形。通过计算认为，尽管方形基础混凝土用量比圆形基础略大，但在相同工况下，方形基础的基底压力分布较为合理，基底脱开面积较小，并且钢筋使用量较小，对于盛行风较为固定的地区，适合选用方形或多边形基础。

重力式扩展基础采用极限状态设计方法。首先根据轮毂高度、单机容量、风速、荷载水平及地质条件等确定基础底板的尺寸和高度。然后分别计算基底反力、沉降、倾斜、基底脱开面积等。分别校核地基承载力、基础变形及稳定性是否同时满足规范以及风机厂家的要求。重力式扩展基础施工较为简便、工程经验丰富、适用范围广，但是这种基础形式抗压能力有余，抗弯效率不高。由于整体刚度较大，基础边缘与地基脱开面积起到控制作用，尤其是对于大容量的风力发电机组，基础的悬挑板长度过大，需要大量的混凝土，经济性较差。

1.2 梁板式基础

梁板式风机基础是由基础台柱、基础底板、从台柱悬挑出的放射状的主梁、封边次梁组成。

主梁格间由素土夯实，底面通常为八边形或圆形。上部荷载通过基础环传递给主梁，再由主梁传递给次梁及地基。

这种风机基础形式主要通过主梁的刚度抵抗基础变形，通过基础及梁格间的填土自重共同抵抗倾覆力矩。相对于重力扩展基础，梁板式基础偏“柔”，能够充分发挥主梁的抗弯特性，使基地压力分布更为合理，从而减小基地脱开面积。目前，梁板式风机基础仍参考《风电机组地基基础设计规定》中重力式扩展基础的设计方法，对梁板式风机基础的力学特性以及计算方法的深入分析未见报道。梁板式风机基础已在我国陆上风电场中广泛使用。由于梁格间采用素土夯实，相对重力式扩展基础，这种基础形式的混凝土用量大大减少，可适当改善大体积混凝土由于水化热产生温度应力对浇筑的不利影响，并且有较好的经济性。以常见的1.5MW风机为例，采用梁板式风机基础比传统的重力式扩展基础节约造价35%。但是，梁板式风机基础土方开挖量较大、体型复杂、模板制作、安装周期较长。并且主梁内钢筋较密，混凝土浇筑、振捣困难，施工质量较难控制。

2 设计规范

由于风电是一个新事物，最近十几年才得以商业化发展，风机基础设计规范目前不很成熟。

我国以前也没有专门的风机基础设计规范，设计一般参照建筑、电力行业的相关规范。于2007年9月，我国发布了FD003-2007《风电机组地基基础设计规定（试行）》，该规范适用于陆上风机。

3 设计计算验算需包含的内容

风机基础设计一般需包含以下内容：地基承载力验算、基础抗滑移验算、基础抗倾倒验算、基础底面脱开地基面积验算、基础沉降验算、基础动刚度验算、基础配筋及混凝土验算、基础混凝土抗局部压力验算、基础混凝土抗冲切验算、基础混凝土裂缝验算、基础钢筋和混凝土的抗疲劳破坏验算。通常的民用建筑物基础设计中，一般不需要基础底面脱开地基面积验算，不需要基础动刚度验算，也不需要基础钢筋和混凝土的抗疲劳破坏验算。

4 基础承受的荷载及其系数

从风机塔筒传给基础的荷载，一般由风机制造商提供，折算到基础顶面，未含荷载系数，荷载系数一般按规范选取。荷载一般分三个工况：风机正常运行荷载工况、极端荷载工况、地震工况。荷载有循环振动特征，以竖直面内的弯矩为主。在通常的民用建筑物基础设计中，荷载及荷载系数由结构设计人员根据有关规范，并结合业主对建筑物的使用要求确定;荷载一般无循环振动特征。

5 基底附加压力分布

由于传至风机基础上的荷载，以竖直面内的弯矩为主，基底附加压力的分布，可以近似为三角形，沿主导风向的下风口最大，沿主导风向的上风口最小（为0）。在通常的民用建筑物基础设计中，基底附加压力常假设为均匀分布或梯形分布。

6 基础沉降控制標准

风机基础允许的最大沉降，包括绝对沉降和倾斜率，一般由风机制造商确定，以保证风机的运行状况及发电功率。作者参与的项目中，轮毂高度多数为100多米，基础允许的最大倾斜率一般为0.003。在通常的民用建筑物基础设计中，基础允许的最大沉降，一般按建筑物的结构形式和高度，查规范确定。FD003-2007《风电机组地基基础设计规定（试行）》中规定基础的最大倾斜率为0.006～0.003，对应的轮毂高度为60m以下至100m以上;对60～80m范围内的轮毂高度，规定基础的最大倾斜率为0.005，这比作者参与的项目中，类似轮毂高度下风机基础的最大倾斜率（0.003），宽松很多。

7 基础动刚度计算及控制标准

风机基础的设计中，通常需验算基础的动抗弯刚度和动抗剪刚度。基础需达到的最小抗弯刚度和抗剪刚度，由风机制造商确定，以保证风机的运行状况及发电功率。在通常的民用建筑物基础设计中，一般不需要基础动刚度验算。

8 基础底面脱开地基面积的控制标准

风机基础底面脱开地基面积的最大允许值，一般由风机制造商提供，以保证风机的运行状况及发电功率。该允许值，随工况和方向而不同（沿基础轴线方向、沿基础对角线方向）。在通常的民用建筑物基础设计中，一般不需要基础底面脱开地基面积的验算。

9 基础钢筋和混凝土的抗疲劳破坏验算

由于风机基础承受的荷载是循环荷载，需要进行基础内钢筋和混凝土的抗疲劳破坏验算，以保证在服务期内，基础不发生疲劳破坏。在通常的民用建筑物基础设计中，一般不需要钢筋和混凝土的抗疲劳破坏验算。

10 基础内预埋件

风机塔筒与基础的连接，常采用两种形式，即预埋在基础中的预应力锚栓或基础环，都由风机制造商选定。每种形式具体的规程、尺寸、材料、安装要求等，也都由风机制造商提供。设计中，需将这些信息在图纸上适当注明，以方便施工。根据风机制造商的要求，基础中可能还需要预埋电缆导管、防雷接地线、排水管等。

11 地质条件差异

相对于通常的民用建筑工程的场地面积，风电场范围很大，因为风机的有关安装要求是，风机的间距至少约为500m;风电项目每期工程一般安装约30台风机。在这种情况下，从一个风机到另一个风机，即使是临近的风机，地质条件可能发生较大变化。如果变化不是很显著，而且风机个数也不是很多，可根据最不利的地质条件进行设计，使所有的风机都采用一个基础设计，以方便管理。如果变化很显著，而且风机个数也很多，可将地质条件分组，条件相近的划为一组;然后针对每一组地质条件，设计一个基础。这样，可避免所有的风机采用一个设计的局面（基于最不利地质条件的设计，通常造价最高），降低整个项目的风机基础造价。

12 服务年限

风机基础的设计服务年限一般为20年，与风机的服务年限一致。通常的民用建筑物基础，其设计服务年限一般为50年，与其上部结构的服务年限一致。

13 结语

风机基础是保证风力发电机组正常安全运行的关键因素，对风电场的安全起到至关重要的作用。

参考文献

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