辐射梁式风机基础设计与施工要点探讨

裴元义

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

风力发电作为清洁能源中应用较为成熟的一种发电技术，已经在世界范围内得到了大量的应用[1-2]。风机基础作为风电机组的支撑结构,其安全稳定关系到风场的正常运行[3]，在风电场规划设计中显得越来越重要[4]。圆形辐射梁式陆上风机基础作为一种经过优化的重力式基础，以其工程量少、造价低的优势而得到越来越广泛的应用。而目前针对此类基础的系统性研究还比较少。本文将对辐射梁式基础设计方面的重点和难点进行系统地分析，并对施工方面的要点进行探讨。

1 辐射梁式基础设计要点

基础是上部风机机组的支撑，由于风机机组高度一般在80 m左右，而直径只有约4 m，属于典型的高耸结构，所以合理的基础结构对风机机组的安全起着决定性的作用，并且很大程度上影响工程的造价。辐射梁式基础结构外观类似于民用建筑中的筏板式基础，但受力情况与之又有很大的不同。基础不仅受到竖向荷载和水平荷载，还将长期受到上部结构传来的持续循环性倾覆力矩。辐射梁式基础结构图如图1。

图1 辐射梁基础结构图

辐射梁式基础设计内容主要包括：基础尺寸的拟定、基础稳定计算、地基承载力计算、沉降计算、基础结构强度及配筋计算、裂缝验算、基础环抗拔验算、地基动态刚度验算以及基础疲劳验算等[5]。辐射梁式基础是传统重力式基础的改良，所以在基础尺寸的拟定、基础稳定计算、地基承载力计算、沉降计算、基础环抗拔验算、地基动态刚度验算以及基础疲劳验算等方面的计算方法与传统重力式基础并无差异，而国内外学者已经对传统重力式基础的计算做过大量的研究和实践，所以本章将不再对上述方面具体分析，将重点介绍辐射梁式基础结构强度及配筋计算方面的设计要点。

辐射梁式基础结构可以分解为：基础中心圆台、八根主梁、外圈环形次梁、底板。其中圆台结构设计内容主要体现在基础环抗拔验算，计算内容同传统重力式基础相同，将不再赘述，故本节主要介绍主梁、次梁、底板的结构计算步骤及要点。

1.1 基底反力计算

结构计算的第一步是求解基底反力。本结构圆形基础的基底反力pmax、pmin应按照《高耸结构设计规范》GB50135相关规定求解，若基底在控制工况下出现脱空，还应计算受压面积宽度ac[6]。由于辐射梁式基础上部有约2～3 m厚的覆土，故应用基底反力pmax、pmin减去上覆土和基础自重产生的压应力而得到基底净反力pjmax、pjmin，基底出现脱空时，受压面积宽度ac偏安全考虑不因上覆土和基础自重产生的压应力而增长。

在控制工况作用下，基础一侧向上的基底反力达到最大，这一侧称为反力侧；基础另一侧基底反力达到最小甚至出现部分基础脱空，此时这一侧上覆土和基础自重压力将大于基底反力从而使基础这一侧受到向下的压力，这一侧称为压力侧。

1.2 主梁结构计算

主梁结构计算应在控制工况下，在最危险截面处计算主梁的顶部纵筋、底部纵筋、箍筋和腰筋，并验算主梁顶部和底部裂缝是否满足规范要求。

1.2.1 反力侧主梁配筋计算

控制工况下，反力侧主梁在正弯矩的作用下，底部纵筋将达到最大受力状态，应计算此时主梁底部纵筋配筋面积、箍筋面积、腰筋面积。

反力侧主梁受力主要为底板和次梁传递来的基底净反力，每根主梁所分配到的基底净反力受力区域应按图2所示的扇形阴影面积考虑(示意图中按基底在控制工况下出现脱空作为示例说明)。

图2 反力侧主梁受力示意图

主梁属于线型变截面梁，A点处的梁高往往是C点处梁高的2～2.5倍，最危险截面应在主梁根部A点处。应用微积分对阴影部分求解可得出控制工况下A点处的弯矩和剪力。然后根据《混凝土结构设计规范》GB50010的相关规定，对A截面进行受剪截面验算、正截面受弯承载力计算、斜截面受剪承载力计算，从而得到主梁底部纵筋面积、主梁箍筋面积和腰筋面积。

1.2.2 压力侧主梁顶部配筋计算

控制工况下，压力侧主梁在负弯矩的作用下，顶部纵筋将达到最大受力状态，应计算此时主梁顶部纵筋配筋面积、箍筋面积、腰筋面积。

压力侧主梁受力主要为上覆土和自重压力和底板和次梁传递来的基底反力，偏安全考虑，不考虑基底反力的有利影响。每根主梁所分配到的压力区域应按图3所示的扇形阴影面积考虑。

图3 压力侧主梁受力示意图

此时主梁的最危险截面仍然应在主梁根部A点处。应用微积分对阴影部分求解可得出控制工况下A点处的弯矩和剪力。然后根据《混凝土结构设计规范》GB50010的相关规定，对A截面进行受剪截面验算、正截面受弯承载力计算、斜截面受剪承载力计算，从而得到顶部纵筋面积、箍筋面积和腰筋面积。

1.2.3 主梁配筋结果与尺寸调整

纵筋配筋结果：底部纵筋应按1.2.1中反力侧荷载模式下得到的底部纵筋面积取值，并验算主梁底部裂缝；顶部纵筋应按1.2.2中压力侧荷载模式下得到的顶部纵筋面积取值，并验算主梁顶部裂缝。

箍筋配筋结果：应比较1.2.1中反力侧荷载模式下得到的箍筋面积与1.2.2中压力侧荷载模式下得到的箍筋面积，取两者中的大值作为主梁的箍筋面积。

腰筋配筋结果：应比较1.2.1中反力侧荷载模式下得到的腰筋面积与1.2.2中压力侧荷载模式下得到的腰筋面积，取两者中的大值作为主梁的腰筋面积。

其他构造钢筋应按《混凝土结构设计规范》GB50010的相关规定设置。

尺寸调整：若配筋出现超筋或钢筋应力过小的情况时，应调整主梁的尺寸；若裂缝不满足要求，应调整钢筋量或主梁尺寸，再按本节中的步骤重新进行配筋验算。

1.3 次梁结构计算

次梁结构计算应在控制工况下，在最危险截面处计算次梁的纵筋、箍筋和腰筋，并验算次梁裂缝。本文中次梁采用配置对称纵筋来说明计算要点，也可根据项目具体情况采用不对称配筋。

1.3.1 次梁荷载计算

次梁呈环形，被八根主梁分隔为八小段，每段的两端与主梁连接，钢筋伸入主梁内部，故连接方式为固接；每段底部与底板连接，底板钢筋伸入次梁内部，故与底板的连接方式也为固接。此时次梁主要承受底板传来的地基反力与土压力，底板可参照四边固支板的受力模式，荷载线按45°线分配至四边，所以次梁的受力区域如图4所示。

图4 次梁受力区域示意图

在控制工况下，反力侧次梁主要承受的是阴影部分底板传递来的基底净反力，用微积分可以求得次梁上的线型荷载分布情况，然后按照两端固支梁计算可得跨中弯矩、支座负弯矩、支座处剪力以及扭矩。

在控制工况下，压力侧次梁主要承受的是阴影部分底板传递来的上覆土压力和自重，按上述同样方法可求得跨中弯矩、支座负弯矩、支座处剪力。

次梁采用对称配筋，故不再区分正弯矩和负弯矩(若采用不对称配筋则应分正弯矩和负弯矩分别计算次梁底部和顶部配筋)。对比反力侧的跨中弯矩、支座负弯矩和压力侧的跨中弯矩、支座负弯矩，可得到次梁上的最大弯矩；对比反力侧的支座剪力和压力侧的支座剪力可得次梁上的最大剪力。

1.3.2 次梁配筋计算和尺寸调整

在1.3.1中得到截面最大弯矩和最大剪力后，应根据《混凝土结构设计规范》GB50010的相关规定，按照对称配筋对次梁进行受剪截面验算、正截面受弯承载力计算、斜截面受剪承载力计算，从而得到次梁纵筋面积、箍筋面积和腰筋面积，并验算次梁裂缝是否满足要求。其他构造钢筋应按《混凝土结构设计规范》GB50010的相关规定设置。

若配筋出现超筋或钢筋应力过小的情况时，应调整次梁的尺寸；若裂缝不满足要求，应调整钢筋量或次梁尺寸，再按本节中的步骤重新进行配筋验算。

1.4 底板结构计算

底板结构计算应在控制工况下，分径向和环向分别计算所需的纵筋数量。

2级：使用6/0～7/0无创线连续或间断缝合（针距1～3 mm，边距1 mm）并将可吸收止血纱或明胶海绵覆盖在缝合口之上。注意纵形缝合且进针要浅，为避免伤及脊髓和马尾神经，缝合应从创口两端开始并提起缝合。

1.4.1 底板荷载计算

由于底板与主梁、次梁、圆台的连接均为固支，且底板两个方向尺寸一般差别不大，所以可参照四边固支双向板的受力模式来分析计算。底板的形状为扇形，可以偏安全得简化为矩形截面来计算，径向板带计算长度取扇形径向长度，环向板带计算长度偏安全取扇形外侧最大弧长。

在控制工况下，反力侧底板主要承受的是基底净反力，按四边固支双向板计算可得反力侧径向和环向的跨中正弯矩和支座处弯矩；压力侧底板主要承受的是上覆土压力和自重，计算可得压力侧径向和环向的跨中正弯矩和支座处弯矩。

底板采用对称配筋，对比反力侧和压力侧径向的跨中正弯矩和支座处弯矩可得径向最大弯矩，同理可得环向最大弯矩。

1.4.2 底板配筋计算和厚度调整

在1.4.1中分别得了环向和径向最大弯矩，根据《混凝土结构设计规范》GB50010的相关规定，按照对称配筋对底板进行正截面受弯承载力计算，从而得到底板上部和下部的纵筋面积。其他构造钢筋应按《混凝土结构设计规范》GB50010的相关规定设置。

2 辐射梁式基础施工要点

辐射梁式风机基础的施工顺序应为：测量放样→基础开挖→基础环支撑件预埋钢板放样→垫层浇筑→基础环支撑件安装→基础环安放调平→底板、主梁、次梁钢筋绑扎→预埋件安装→混凝土浇筑→混凝土养护→回填夯实。其中大部分工序的施工方法可参照传统重力式基础的施工方法，目前已经比较成熟。但由于辐射梁基础自身的特点，次梁钢筋绑扎和回填压实这两个施工过程应作为施工过程的重点，以保证基础的质量。

2.1 次梁钢筋绑扎

由图1可看出，辐射梁式基础的次梁为环梁，次梁的纵筋呈环状。在钢筋绑扎的施工过程中，一般需要先绑扎主梁的钢筋，而后将次梁的纵向钢筋伸入主梁中而形成整体；次梁的箍筋需要在穿纵筋之前立在主梁边，纵筋从主梁中穿过时同时也从次梁箍筋之中穿过，而后将次梁箍筋移动到设计的位置；最后将次梁纵筋接头相连接。由此可见主梁钢筋和次梁箍筋对次梁纵筋起到了很强的限位作用，致使一旦次梁纵筋的弯曲度和安装长度出现较大的制造误差或安装误差，就只能在现场用撬棍调整纵筋位置，浪费人力和工期，若误差较大则会引起返工。基于以上施工过程，本文建议如下：

1)对次梁纵筋的安装长度、曲率以及和箍筋的尺寸要在钢筋加工场严格把关，尽量减小制作误差。

2)每层钢筋的现场放样都要准确，减小安装误差从而减小安装难度。特别要控制次梁上层钢筋的放样精度，由于模板一般采用圆形的钢模板，外形曲率是固定的，若上部钢筋放样位置出现偏差，则会造成混凝土保护层厚度不足。

3)由于单根钢筋的长度有限，次梁钢筋需要将多根钢筋连接。钢筋连接接头的设置需严格按照《混凝土结构设计规范》GB50010的相关规定。由于在风机运行过程中，次梁不断受到循环荷载的影响，要求钢筋能承受反复拉压的影响，残余变形要小，对钢筋的延性要求也较高，所以本文推荐次梁纵筋使用机械套筒连接，应按照《钢筋机械连接技术规程》JGJ107的相关规定[7]。

4)为减小次梁纵筋安装难度，当出现误差时方便纠正，本文推荐使用较小直径的钢筋作为次梁纵筋，纵筋直径一般不宜超过25 mm。

2.2 回填压实

风机荷载是由辐射梁式基础与其上覆土共同承担的，所以上覆土的回填压实质量对工程的安全至关重要。

1)回填材料。回填材料可选用经过监理确认的基础开挖土石料，也可以从经过监理确认的取土区取土，石料最大粒径不得大于10 cm，以防止大块料堆集，造成架空而难以压实。回填材料中不得含有植被、草皮、腐殖土和杂物等，回填前应清楚基坑中的积水、淤泥。为保证上覆土对基础的压重，应根据设计图纸严格控制压实后土石料的干密度。

2)压实机械。常用的碾压机械有静压碾压、振动碾压和夯击。基础上方进行回填压实施工时，为避免压实机械对基础造成损坏，所以应使用轻型的静压碾压或振动碾压，不可使用夯击。当基础混凝土之上土层厚度不足300 mm时，应采用人工夯实。压实分层的厚度、每层压实的遍数和填土质量检验标准应参照《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202的相关内容[8]。

3)回填土表面处理。回填范围内的填土高度不可低于周围地面，以防止雨后积水影响检修，并且回填时应按不同的土质预留一定的沉降量。为将雨水及时从回填范围内排走，回填土应设置一定的坡度，并且应在回填土之上铺设一定厚度的级配碎石以防止冲刷。

3 结 语

辐射梁式基础的造价低，应用范围广，在清洁能源越来越受到重视的背景下，该类型风机基础有广阔的应用前景。本文对辐射梁式基础设计中的重点内容分步骤进行了详细分析，并切合实际地对施工要点进行了总结，对今后辐射梁式基础在风电领域的应用具有参考价值。