提高风机基础环锚固性能的措施研究

周 敏，谭争光，陈加兴，吴继亮

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

在我国清洁能源政策指引下，风电行业发展迅速，据有关数据统计，目前我国的风电装机规模世界第一。在风电场的建设和运行过程中，风机基础事故时有发生，其中风机基础环锚固出现问题最多，主要表现为风机基础冒灰冒浆、台柱裂缝以及穿孔钢筋被剪断等问题，如图1及图2所示，基础环锚固欠佳致使风机处于不安全运行状态，严重时会导致风机停机。近年来基础环锚固出现问题的风力发电机组有逐年上升的趋势，而风机停机和基础加固给建设单位造成了较大的经济损失，带来了不良的社会影响。因此，对提高风机基础环锚固性能的措施进行研究非常必要，对风机基础设计具有指导意义。

图1 风机基础冒灰冒浆图

图2 台柱混凝土压碎、裂缝图

1 基础环的锚固机理

风力发电机组为高耸结构，轮毂高度一般为80～120 m，塔筒本身承受巨大的弯矩作用和疲劳荷载，且荷载具有多变性、反复性及复杂性。塔筒与基础的连接设计至关重要，基础环作为连接上部结构和下部基础的重要组成部分，是风机基础的核心构件，由上、下法兰和中部钢筒组成，筒壁有椭圆形的孔，用于穿孔钢筋的放置，如图3所示。

在风机基础结构中，基础环是钢环，和混凝土的材料性质截然不同，基础环和混凝土通过锚固作用协同工作、共同受力。基础环主要通过锚固作用固定于钢筋混凝土基础中，基础环侧壁光滑，下法兰为锚固端，基础环周边混凝土配置有多种形式的钢筋，起到约束、抗拔、抗冲切及抗拉的效果，同时基础环还配有径向的穿孔钢筋。根据基础环的构造特点，基础环的锚固承载力主要由基础环与混凝土的粘结作用、基础环侧壁混凝土的抗力、基础环下法兰的抗剪力和穿孔钢筋的作用力四部分提供。基础环与混凝土的粘结作用、侧壁混凝土的抗力主要与混凝土强度等级、基础环埋置深度等有关，基础环下法兰的抗剪承载力主要与下法兰尺寸有关[1-3]。

图3 风机基础剖面图(单位：mm)

2 提高基础环锚固性能的措施

影响基础环与混凝土之间锚固性能的因素较多，主要包括基础环埋置深度、基础环下法兰尺寸、基础混凝土强度、基础环穿孔钢筋的配置和基础密封防水等。针对影响基础环与混凝土锚固性能的主要因素，以下结合实际风电场对提高风机基础环锚固性能的主要措施进行探讨。

2.1 增加基础环埋置深度

国内已建成陆上风力发电单机容量2.0 MW的机组，轮毂高度一般为80～100 m，基础环外径一般在4.2～4.6 m之间，本文统计了已经投产运行的86个陆上风电场风机的基础环埋置深度，如图4所示。

图4 国内已建成的陆上风电场基础环埋置深度图(单位：m)

由图4可知，基础环埋置深度一般在1.3～2.0 m之间，平均埋置深度约1.8 m。我国中南部某陆上风电场，单机容量为2.0 MW，基础环原设计总高度为1.8 m，基础环埋入混凝土深度仅为1.35 m，如图5所示，基础环埋置深度仅为规范所要求锚固深度的1/5，且远低于基础环的平均埋置深度1.8 m。经过分析，基础环埋置深度偏小，存在锚固失效的风险。经过与厂家沟通，修改了基础环尺寸，将基础环高度增加到2.0 m，基础环埋入混凝土深度增加到1.55 m，如图6所示。

图5 原基础环高度图(单位：mm)

图6 基础环加高后尺寸图(单位：mm)

由图5及图6可知，基础环埋置深度由1.35 m增加到了1.55 m，单个基础环的重量增加1.1 t，直接费用增加不到1万元，通过增加基础环埋置深度，可增加了基础环与混凝土的粘结力、混凝土侧壁抗力，减小穿孔钢筋的应力，改善了基础下法兰处应力集中问题[4]，根据计算结果，基础环埋置深度增加0.2 m，混凝土侧壁提供的抗力增加约60%，可较大提高基础环的锚固性能，降低了基础环锚固出现问题的风险。根据相关数据，仅对基础冒灰、冒浆进行灌浆处理，灌浆处理费用每台约8万元，若基础出现更为严重的破坏，如混凝土低强，那应对基础进行加固设计，加固单台风机基础费用约25万元，在对基础进行灌浆和处理过程中，造成了风电机组的停机损失，单台2 MW的机组每天发电损失约0.7万元。综上所述，基础环高度适当增加，在费用增加较少的前提下，较大地提高基础环的锚固性能，同时避免了因基础环锚固出现问题造成的较大经济损失。

2.2 增加基础环下法兰尺寸

因加工制作、运输条件、重量、成本等因素的限制，基础环一般不宜过高，基础环高度在1.8～2.5 m之间，埋入混凝土的锚固深度为1.3～2.0 m，风机基础环锚入混凝土的深度仅为规范要求锚固深度的1/5～1/3，远低于规范值[5]，因此，仅依靠埋置深度来提供锚固力是不够的，大部分锚固承载力需要依靠基础环下法兰的锚固力来提供。陆上单机容量为2.0 MW的风力发电机组基础环的下法兰宽度一般位于220～400 mm之间，增加下法兰宽度，能够降低基础环穿孔钢筋的峰值应力，明显减小下法兰处混凝土的应力，有效缓解局部混凝土应力集中现象。基础环下法兰宽度对基础环的拉拔承载力有较大提高，增加基础环下法兰宽度能够显著提高基础环的锚固性能[6]。

我国中部地区某风电场基础环下法兰原设计宽度仅为277 mm，如图7所示，经过复核，基础环下法兰处局部压应力过大，超出混凝土抗压强度设计值，与厂家进行沟通后，将基础环下法兰宽度修改为327 mm，如图8所示。

图7 原基础环下法兰尺寸图(单位：mm)

图8 基础环下法兰加宽后尺寸图(单位：mm)

由图7及图8可知，基础环下法兰宽度由277 mm增加到了327 mm，单个基础环的重量增加0.6 t，直接费用增加约0.54万元，通过增加基础环下法兰宽度，基础环下法兰处局部压应力明显减小，提高了基础环的拉拔承载力，基础环的锚固性能得到较大提高[4]。根据计算结果，基础环下法兰宽度增加50 mm，基础环的极限抗弯承载能力提高约20%，由此可见，适当增加基础环下法兰宽度，可在直接费用增加较少的前提下，较明显地提高基础环的锚固性能。

2.3 加强基础环构造措施

基础环高度一般在1.8～2.5 m之间，基础环本身的高度由于多方面因素的限制而无法进一步加高，为了提高基础环的锚固性能，可考虑在基础环上焊接多排多列栓钉或横向、竖向加劲肋，在基础环下法兰上焊锚筋等构造措施，如图9及图10所示，这样既可提高钢与混凝土的摩擦系数，加强基础环与混凝土的粘结作用，又可提高基础环自身刚度，基础环刚度的提高能减小基础环与基础的脱开变形，增大接触面积，从而提高基础环与混凝土之间的锚固性能。

图9 基础环壁焊接栓钉图

图10 基础环壁焊接加劲肋及下法兰焊接锚筋图

在基础环高度受限的情况下，通过在基础环侧壁焊接栓钉、加劲肋以及在基础环下法兰上焊接锚筋等构造措施，能够切实提高基础环与混凝土的锚固性能。

2.4 设置双层穿孔钢筋

基础环穿孔钢筋能够提供抗剪力，对基础环有一定的约束作用，基础环锚固承载力很重要的一部分是由基础环穿孔钢筋提供，研究表明，穿孔钢筋数量增加，穿孔钢筋的最大应力显著降低，对基础环孔洞附近的混凝土应力也有一定的改善[7]。

目前国内风机基础环侧壁一般采用开单排孔，160 mm×85 mm椭圆形孔均匀布置，共60个孔，如图11所示。穿孔钢筋一般采用直径28 mm或者32 mm的三级钢，逐孔进行布置，单孔一般布置两根穿孔钢筋。由于加工制作、运输等条件的限制，基础环的外径一般不超过4.6 m，单排开孔的数量被限制，因此穿孔钢筋的数量也被限制。为了增加基础环穿孔钢筋的数量，可考虑在基础环侧壁开2排椭圆孔，如图12所示，从而大大增加基础环穿孔钢筋的数量。

图11 基础环壁开单排孔图

图12 基础环壁开双排孔图

在基础环外径尺寸受限的情况下，通过在基础环侧壁开2排均布的椭圆形孔洞，能够大大增加基础环穿孔钢筋的数量，从而提高穿孔钢筋对基础环的约束作用，改善基础环与混凝土的锚固性能。

2.5 其他措施

通过对国内多个风机基础环锚固出问题的风电场调查发现：各风电场普遍存在风机基础混凝土强度达不到设计值的情况，有的基础混凝土强度甚至低于C15；各风电场风机基础防水密封材料均有不同程度的损坏，部分已完全脱落。风机基础混凝土强度设计值一般为C35或C40，混凝土强度是基础结构承受荷载的基础，也是提供混凝土与钢筋粘结力的保证，若混凝土强度达不到设计要求，势必减小混凝土对基础环和穿孔钢筋的握裹力，减小混凝土与基础环之间的摩擦力，从而影响基础环的锚固性能。基础防水密封失效后，雨水就会沿着基础环与混凝土之间的缝隙进入基础混凝土内部，在风机荷载的反复作用下，基础环与混凝土之间的粘结摩擦力逐渐丧失，混凝土强度和耐久性降低，导致基础冒灰冒浆等问题，锚固性能大打折扣[8]。因此，风机基础施工过程中，应严格控制混凝土浇筑质量，确保混凝土强度达到设计要求，同时应采取持久耐用、有弹性、耐紫外线辐射的密封防水材料进行密封，严格按照相关要求做好基础密封防水，提高混凝土施工质量和做好基础密封防水措施有利于提高基础环的锚固性能。

3 结 语

风机基础环受力复杂，影响基础环锚固性能的因素较多，本文就提高风机基础环锚固性能的措施进行了探讨，结果表明：增加基础环埋置深度和下法兰宽度以及加强基础环构造措施对基础环的锚固性能有显著提高；增加基础环穿孔钢筋数量、提高混凝土施工质量和做好基础密封防水措施等也有利于提高基础环的锚固性能，对风机基础设计具有指导意义。

随着风机单机容量、轮毂高度及叶轮直径增加，风机基础设计载荷也越来越大，基础环与混凝土之间的局部压应力、抗拔力、冲切力逐渐增大，常规C35或C40混凝土已难以抵抗，基础环连接方式可采用高强度预应力锚栓代替，预应力锚栓的抗疲劳和锚固性能更优[9]。