预应力锚栓风机基础设计局压承载力探讨

吴强，贺广零，邹庆水

（1.湖南三一智慧新能源设计有限公司，长沙 415000；2.北京京能清洁能源电力股份有限公司华南分公司，广东湛江 534000）

1 引言

预应力锚栓风机基础台柱区域混凝土受预应力紧固，预应力锚栓上下锚板与高强灌浆料[1，2]、基础混凝土接触面存在较为明显的局部受压现象。若设计不合理，易导致风机基础该位置发生局部受压破坏。NB/T 10311—2019《陆上风电场工程风电场风电机组基础设计规范》[3]未给出明确的计算方法，本文以实际工程为例，给出预应力锚栓风机基础局部受压验算的具体计算方法，供广大设计人员参考。

2 高强灌浆料强度与锚杆预拉力

2.1 高强灌浆料抗压强度设计值

陆上风机基础所采用的高强灌浆料属于水泥基特种材料，NB/T 10311—2019《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》第3.5.7 条规定：粗骨料尺寸大于4.75 mm 和不大于4.75 mm 的高强灌浆料抗压强度分别按100 mm×100 mm×100 mm 立方体和40 mm×40 mm×160 mm 棱柱体标准试件尺寸进行强度试验[4]；同时GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015 年版)[5]规定：混凝土抗压强度fc=fck/γc（fck为150 mm×300 mm 圆柱体轴心抗压强度标准值，γc混凝土材料分项系数取1.4）。两者不是采用同一试验评价标准，且GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015 年版)未给出这种C80 等级以上高强材料的抗压强度取值相关规定。

Support Structures for Wind Turbines2018(DNVGL-ST-0126)[6]第5.3.4.12 款、第5.4.1.3 款以及表5-2 规定，对于Plain Concrete/Grout（素混凝土或素水泥浆），其抗压强度试验试件采用150 mm×300 mm 圆柱体试件，轴心抗压标准值fcn=fcck（1-fcck/600），式中，fcck为满足95%可靠度要求的标准件抗压强度。轴心抗压强度设计值fcd=fcn/γm（γm灌浆材料分项系数取1.8），我国NB/T 10105—2018《海上风电场工程风电机组基础设计规范》[7]第12.4.4 条关于灌浆材料的强度规定，参照以上Support Structures for Wind Turbines2018（DNVGL-ST-0126）公式。

对于陆上风电风机基础高强灌浆料抗压强度设计值计算，本文建议采用以上Support Structures for Wind Turbines（DNVGL-ST-0126）计算公式。

2.2 锚杆预拉力修正

风机运行情况下，基础锚栓内锚杆受力是不均匀的，锚杆拉力变化与锚杆抗拉刚度、塔筒底法兰+混凝土+垫片+锚板综合抗压刚度相关。一般情况下，迎风侧锚杆拉力大于背风侧锚杆拉力。根据大量锚杆内力测试数据，在风机运行情况下，迎风侧锚杆预拉力存在接近10%提高幅度，背风侧锚杆预拉力存在接近10%降低幅度。工程设计中，为简化计算，在验算锚栓连接以及连接处局压强度时，建议可近似取10%。

3 工程实例

3.1 工程概况

某山地风电场，采用单机容量4.2MW 的风力发电机组，叶轮直径156 m，轮毂高度95 m，50 年极端风速52.5 m/s，风场类型为IEC Ⅲ，极限工况下，上部结构传至塔筒底部的基础荷载标准值见表1。

表1 极限工况荷载标准值

风机基础采用预应力锚栓重力式扩展基础形式，基础安全等级为一级，结构安全重要系数γ0=1.1，根据地基与基础承载力验算所确定的基础尺寸设计方案为：基础底板半径为10.3 m，基础底板外缘最薄处高度为0.8 m，最厚处高度为2.85 m，风机基础台柱顶面半径R为3.15 m。塔筒直径为4.5 m，基础埋深为3.5 m。基础台柱配筋图见图1，上下锚板尺寸图见图2 和图3。锚杆设计预拉力为577 kN（含超张拉）。

图1 风机基础台柱配筋图

图2 上锚板尺寸图

图3 下锚板尺寸图

基础主体混凝土强度等级为C40，钢筋强度等级为HRB400，高强灌浆料采用BASF 9400，根据厂家所提供的产品说明书，本型号高强灌浆料20 ℃养护条件下28 d 抗压强度标准值（150 mm×300 mm 圆柱体抗压试验值）为117 MPa。

风机基础相关的灌浆料、锚板、锚杆、基础尺寸参数见表2。

表2 风机基础尺寸参数表

3.2 高强灌浆料强度验算

扣除锚栓孔孔洞后的高强灌浆料受压净面积An1与净惯性矩In1为：

由弯矩Mxy·k产生的灌浆料边缘压应力：

由竖向荷载Fz·k和锚栓预拉力P0产生的灌浆料边缘压应力：

式中，γxy为弯矩荷载分项系数1.4；γz为竖向荷载分项系数，取1.2；n为锚杆根数200 根；P0为锚杆张拉力577kN；κ1为背风侧锚杆预应力折减系数，根据工程经验近似取0.9。

本工程所采用的高强灌浆料，其抗压强度设计值fcd=117×（1-117/600）/1.8=52.3MPa。

由于灌浆料内部未配筋，故按素混凝土局压来计算，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015 年版)附录D.5条，ωβlfcd-γ0σ1=9.53≥0，故高强灌浆料抗压强度满足要求。

其中：ω分为荷载分布影响系数1.0；βl为混凝土局压强度提高系数1.168；根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015 年版)附录D.5 条计算。

3.3 高强灌浆料下方混凝土强度验算

高强灌浆料下方混凝土受压面积A2与受压计算面积A2b为：

其中，r23=r21-min{B1，B2}=1 329 mm，r24=r22+min{B1，B2}=3 129 mm。

扣除锚栓孔孔洞后的高强灌浆料下方混凝土受压净面积An2与净惯性矩In2为：

由弯矩Mxy·k产生的高强灌浆料下方混凝土边缘压应力：

由竖向荷载Fz.k和锚栓预拉力P0产生的高强灌浆料下方混凝土边缘压应力：

高强灌浆料下方混凝土总压应力：

其中，B1为灌浆料宽度，B1=r22-r21=600 mm，B2为基础台柱超出灌浆料宽度，B2=R-r22=600 mm；κ1为背风侧锚杆预应力折减系数，根据工程经验近似取0.9；βc为混凝土强度影响系数，取1.0；βl1为高强灌浆料下方混凝土局压强度提高系数1.732；fc为C40 混凝土抗压强度设计值19.1 MPa。

βc与βl1根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015 年版)第6.6.1 条计算；

1.35βcβl1fc-γ0σ2=9.33≥0，故高强灌浆料下方混凝土局压截面尺寸满足要求。

故高强灌浆料下方混凝土局压强度满足要求。

其中，α、ρv、βcorl根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015 年版)第6.6.3 条计算。

式中，α为钢筋对混凝土的约束折减系数1.0；ρv为体积配筋率1.2%；βcorl为配置钢筋的高强灌浆料下方混凝土局压强度提高系数1.704；fyv为HRB40 钢筋抗拉强度设计值360 MPa。

3.4 下锚板上方混凝土强度验算

下锚板上方混凝土受压面积A3与受压计算面积A3b为：

其中，r25=r1-B3=1 702 mm，r26=r1+B3=2 761 mm。

扣除锚杆孔洞后的下锚板上方混凝土受压净面积An3为：

由锚栓预拉力P0产生的边缘压应力：

其中，B3为下锚板宽度，B3=r1-r2=353 mm；κ2为迎风侧锚杆预应力提高系数，根据工程经验近似取1.1；βl2为下锚板上方混凝土局压强度提高系数1.732。

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015 年版)第6.6.1 条计算。

1.35βcβl2fc-γ0σ3=8.36≥0，故下锚板上部混凝土局压截面尺寸满足要求。

其中，α 为钢筋对混凝土的约束折减系数1.0；ρv为体积配筋率1.2%；βcor2为配置钢筋的混凝土局压强度提高系数1.732。

α、ρv、βcor2根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015 年版)第6.6.3 条计算。

0.9（βcβl2fc+2αρvβcor2fyv）-γ0σ3=6.91≥0，故下锚板上方混凝土局压强度满足要求。

4 结论

本文通过分析国内、国外规程规范，给出高强灌浆料抗压强度推荐计算公式，给出了风机运行情况下预应力锚栓锚杆预拉力修正系数，并通过工程实例，提供了锚栓连接处灌浆料强度验算、灌浆料下方混凝土强度验算、下锚板上方混凝土强度验算计算方法与流程，从具体计算方法来看，计算过程符合国家现行规范规程，计算原理简单，实用性较强，通过本文希望能为广大风电场风机基础设计人员在计算风机基础局压强度验算、高强灌浆料选型等设计方面提供有益帮助。