圆形扩展式风机基础体型优化设计研究

王斯伟，白宝华，潘启科，宋宁，王德智

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，昆明 650051)

0 前言

随着高海拔山地风电场建设规模越来越大，风电机组基础的安全性、经济性及适用性越显重要。常见的风机基础包括扩展基础、桩基础及岩石锚杆基础[1]，在云贵川等西南省区高海拔山地风电场建设实践中，大部分采用圆形扩展式风机基础形式。

圆形扩展式风机基础属于传统的重力式基础，具有适用性强、施工技术成熟、安全度高的优点。主要缺点是混凝土及钢筋的用量较大。对风机基础的体型进行优化设计研究，有利于减少工程量，降低工程造价，提高基础的效用及安全性。

1 风机基础体型初选

图1 中：R-风机基础底板半径；R1-基础上台柱半径；R2-风电机组基础环半径；h-风机基础高度；h1-基础底板边缘高度；h2-基础倾斜面部分高度；h3-上台柱高度；h4-基础环埋置深度。另定义：H-风电机组轮毂高度。

图1 风机基础体型图

上台柱半径结合塔筒底部法兰尺寸确定，常规的2～2.5 MW 风电机组底部法兰直径为4.2～4.4 m。另考虑在上台柱能配3～4 圈竖向及环向钢筋，故取台柱的半径R1=3.4～4.5 m。进一步地，需要结合台柱的配筋方式来确定。由于风机基础台柱区域应力最为集中，基础与基础环经常出现界面脱开破坏的情况[2]，故建议台柱尺寸不宜过小。

风机基础设计初期应先预设基础尺寸，通过调整基础底面半径R 及调整剖面尺寸的设计，可以优化风机基础自重及抗倾覆的能力。根据经验，一般取基础底板半径（例 如H=90 m，R 取9～15 m）。基础高度例如H=90m，h 取3～4.5 m）。圆形扩展式基础底板边缘高度（例如R=9 m，h1取0.9～1.2 m），且不应小于1 m[1]。基础底板直径对风机基础整体抗倾覆作用意义重大，但同时该数值对基础的整体方量影响也较大，故要结合基础埋深、宽高比等因素，对比分析优化设计。以上为风机基础体型尺寸的经验取值范围，具体要根据荷载特性及具体工程特性试算后确定。过程中需要满足承载力、抗倾覆及基础底面积脱开比的要求。

2 圆形扩展式基础体型设计

2.1 与烟囱基础设计理念对比

加为防止风机叶片与塔筒外壁之间的碰撞，塔筒直径需满足最大限值要求，根开尺寸较烟囱筒壁小。故相比常见的烟囱基础，风机基础具有“长悬臂、小内径”的特点[3]。同时，为满足基础刚性平截面假定，风机基础底板的悬挑长度与悬挑根部高度的比值必须满足

图2 常见烟囱圆形基础体型图

如上图所示，β为烟囱基础底板的悬挑系数，对于烟囱基础，一般合理的β值应介于1.2～1.8 之间，超过1.8 说明基础体型不合理，需调整。

β=烟囱基础，考虑烟囱基础与风机基础的区别，取R2=R3，故一般均大于1.8，且大于2.5。

参考烟囱规范相关公式[4]，有：

参考混凝土结构设计规范[5]， 由MR,Mθ→α，ξ→As，再根据条文9.5.7 要求[1]，需要满足单侧纵筋最小配筋率不应小于0.2%，且每米宽度范围内钢筋面积不小于2500 mm2。以上为参考烟囱基础对风机基础进行体型设计和配筋计算的基本过程。

但是对于风机基础，β值一般大于2.5，因此参考烟囱基础的弯矩及配筋计算方式对圆形扩展式风机基础进行设计计算是否合适，值得进一步研究。

2.2 h与基础埋深影响关系研究

基础埋置深度考虑的因素[1]：

1）基础形式；

2）基础上的荷载大小和性质；

3）地层结构和地下水埋深；

4）地基土冻胀和融陷的要求；扩展式基础需满足地基承载力、变形和稳定性的要求。对高海拔季节性冻土地区，埋深应大于土体的标准冻深，查阅中国季节性冻土标准冻深线图，西藏那曲、青海部分地区地区240 cm，其余未见超过200 cm 的情况。一般风机基础埋深均大于3 m，故此条规定一般可以满足。

在确定了基础的埋深后，可取基础高度h等同于基础埋深，若考虑基础上台柱防滞水及排水的要求，h 可大于基础埋深50～100 mm。过程中，应结合风机基础h1、h2、h3的初选试算进行优选组合。

2.3 偏心距e与R的影响关系研究

计算风机基础底面尺寸，首先要初步确定基础底板面积，也即R 的估算。

图3 风机基础零米荷载示意图

偏心荷载作用下风机基础的力学计算模型，其中G- 基础自重，Fz- 基础顶面的竖向荷载，Fr- 基础顶面的水平荷载标准值，Mr- 基础顶面弯矩，Mz-基础顶面扭矩，e-基础顶面竖向荷载偏心距。

大偏心作用下的独立基础，基底脱开面积比一般是确定R 的控制性因素。一般圆形扩展式风机基础的底面直径宜控制在轮毂高度的范围内，基础高度宜控制在轮毂高度的范围内，基础边缘高度宜为底板直径的且不小于1m。在进行计算过程中，扩展式基础除应满足承载力、变形及稳定性等要求，基础底面积脱开比还应满足下表中要求。

表1 基底面积脱开比要求

图4 风机基础偏心荷载作用下基底脱开示意图

圆形基础在偏心荷载作用下的基底反力[6]：

ξτ为计算系数，可由e/R 的比值，再根据高耸结构规范的附表C 查得出。

e/R ＜0.25 时，认为基底未脱开；

0.25 ≤e/R ≤0.43 时，认为基底脱开，但脱开面积未超过25%；

e/R ＞0.43 时，基底脱开面积超过25%。

2.4 上台柱影响研究

圆形扩展式基础分为有台阶式和无台阶式两种形式，有台阶式即设置台柱，h3是台柱的高度。针对台阶式和无台阶式扩展基础，给出基底反力的计算公式：

分析得出[7]，含台阶式基础在地耐力、节省混凝土方面有优势，无台阶式扩展基础的混凝土应力具有优势。但风机基础内混凝土的应力比较小，故一般采用有台阶式扩展基础。

图5 风机基础有无台阶布置的示意图

2.5 h3与h4的影响关系研究

基础环的尺寸由厂家提供，一般对基础环的埋深给出具体要求。设计院需要对基础环的设计及埋深要求进行复核。

h4与h3有相互影响制约关系，不同的搭配得出的计算结果不同。增加基础环的埋置深度h4，降低上台柱的高度h3可有效降低基础环内浇筑混凝土的应力以及混凝土的位移，对风电基础的抗倾覆有利。研究人员对基础环区域混凝土的细部损伤机理进行了研究[2]，得出：

1）基础环埋置深度h4=（0.55～0.65） h，h4＞h3，保证基础环及台柱结构的稳定性；

2）建议取h3=（0.25～0.4） h，且不宜大于1.5 m；

3）基础环外围混凝土厚度不宜过小，R-R1≥1.5 m 是合适的，且R-R1与h3的差值在20%以上，防止局部冲切破坏。

3 山地风电场风机基础体型设计

目前，典型的山地风电场多采用单机容量为2 MW～3 MW 的风电机组，轮毂高度80～100 m。由于山地风电场风机多分布于山脊及山坡位置，覆盖层较浅，故一般考虑天然地基加圆形扩展式基础[8]。采用圆形扩展式风机基础，则体型初步设计如下：

取基础埋深3～4 m，由单机容量及持力层埋深综合确定。基础环2R2=4 m ～4.4 m，该尺寸多由运输条件限制；2R1=6.4 m ～8 m，考虑基础台柱配筋及防止局部受压破坏，该尺寸宜取大值；h1=1 m～1.2 m，考虑优化基础混凝土用量，该尺寸宜取小值；h2=1.3 m～1.8 m；h1+h2=2.3 m～3 m；R-R1≤2.5（h1+h2）=5.75 m～7.5 m；R1=3.2 m ～4 m；故可初步推断基础底板半径R一般介于8.95 m～11.5 m 之间。

以上均为一般建议值，具体应根据具体工程的地质条件、地震烈度、风电机组运行特点等因素开展针对性的设计研究，相应的基础体型值可上下浮动一定的比例。

4 结束语

风机基础体型设计是否合理，对风电机组安全运行具有重要影响，通过优化基础的体型参数，可以显著提高基础的抗倾覆性能，减少钢筋及混凝土的工程量。针对圆形扩展式风机基础，h、R 结合地质条件及上部荷载初步试算，过程中结合R1、h1、h2、h3细部尺寸的优化，以及对h4、e/R、基底脱开比、最大压应力等复核的成果，最终确定风机基础的体型。风机基础体型参数具有相互影响关系，调整其中1 个或几个参数要考虑对其它参数的影响，联动调整，并及时进行基础各项指标的复核与确认。