風(fēng)機基礎(chǔ)形式方案比較

1、風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計計算方法及其方案比較近年來，人們由于對能源產(chǎn)生了愈演愈烈的危機意識，對新能源的開發(fā)利用 也就顯得愈加迫切，太陽能，風(fēng)能，潮汐能等眾多新能源的研究開發(fā)工作都在如 火如荼的進行中。風(fēng)能是一種新型清潔能源，可再生，無污染，而且儲量豐富， 分布范圍廣泛。就我國來說，風(fēng)能主要分布在華北，東北，西北以及沿海及其島 嶼地帶，而現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電場分布區(qū)域也是與風(fēng)力資源分布基本吻合的。2009 年，從風(fēng)電裝機容量分布來看，內(nèi)蒙古裝機累計容量920萬千瓦，河北省278 萬千瓦，遼寧省242千瓦，吉林省201千瓦，當(dāng)年全國實現(xiàn)新增裝機容量1380.3 萬千瓦，而2010年新增容量更是達(dá)到了 1650萬千瓦

2、，一躍成為新增風(fēng)電裝機總 容量第一的國家，是日本的75倍，美國的兩倍，可見我國在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)投入 了相當(dāng)大的人力，物力和財力，但數(shù)據(jù)顯示，截至2008年底，我國風(fēng)力發(fā)電在 能源結(jié)構(gòu)中所占的比例不足2%，所以，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)還有很大的上升空間。但行業(yè)的迅速發(fā)展也帶來了諸多問題，比如風(fēng)機的荷載參數(shù)是通用型的數(shù) 據(jù)，并不一定適應(yīng)特定的風(fēng)場，風(fēng)力發(fā)電塔的設(shè)計也沒有專門的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，暫 時參考高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，同時，風(fēng)機基礎(chǔ)的規(guī)范也僅有試行規(guī)定，即 FD003-2007風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（以下簡稱規(guī)定）是參照相關(guān)建 筑和電力系統(tǒng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)而建立的，很多內(nèi)容僅僅只是簡單的將原有的建筑或 電力規(guī)范原封

3、不動的搬過來，而對基礎(chǔ)受大偏心受力，疲勞荷載以及震動影響的 計算方法并沒有做深入的研究，比如基礎(chǔ)在風(fēng)振或地震作用下的動態(tài)剛度問題， 基礎(chǔ)形式的科學(xué)選擇問題等，在試行規(guī)定中均未做詳細(xì)介紹，而且對于規(guī)定中所 提供的三種主要基礎(chǔ)類型（天然地基基礎(chǔ)，復(fù)合型地基基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)）是否合理 也沒有做解釋。這些問題的存在，給風(fēng)力發(fā)電機組及塔架基礎(chǔ)的安全埋下了隱患。 雖然風(fēng)機基礎(chǔ)的投資費用只占整個風(fēng)機投資的1.7%左右，但基礎(chǔ)安全的重要性 是和上部結(jié)構(gòu)同等重要的，不可掉以輕心。2006年，在桑美臺風(fēng)中，某風(fēng)電場 28臺機組全部受損，其中有有11臺風(fēng)機葉片被吹斷，兩臺風(fēng)機連基礎(chǔ)被拔出。 2008年，某風(fēng)電場一臺風(fēng)機

4、在正常運行時突然倒塌，基礎(chǔ)被連根拔起，這兩個 風(fēng)電場采用的基礎(chǔ)形式是天然地基上的擴展基礎(chǔ)，被連根拔起的基礎(chǔ)在設(shè)計方面 肯定存在一些問題，這與風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計沒有一套成熟的規(guī)范作為依據(jù)有很大的關(guān) 系，所以，我們在加快行業(yè)發(fā)展的同時，也要加快相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定，否則 將會帶來巨大的經(jīng)濟損失和安全隱患。本文將對天然地基上的擴展基礎(chǔ)的底面形 狀及其計算方法做簡單的討論。風(fēng)電機組基礎(chǔ)承受360度方向的大偏心震動隨機荷載，按照對稱的原則，基 礎(chǔ)底面形式選為圓形最為合理，但實際情況是，雖然按理論風(fēng)電機組會受任意方 向的風(fēng)荷載，但對于某個地區(qū)來說，在一年中僅有幾個盛行風(fēng)向，簡單的將基礎(chǔ) 底面選為圓形并不一定經(jīng)濟

5、合理，沒有數(shù)據(jù)作為其理論支撐。而規(guī)定中提供 的擴展基礎(chǔ)底面為矩形，完全是從建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中搬過來的，沒有 考慮風(fēng)振影響，和一般的民用建筑基礎(chǔ)的設(shè)計計算是有區(qū)別的，所以它的合理性 也有待商榷。某風(fēng)電工程單機裝機容量1.5MW，輪轂高度65m，塔筒底面直徑4m，修正后的地基承載力特征值為230kpa,基礎(chǔ)及上覆土加權(quán)重度取Y =20kN/m3,基礎(chǔ)混 凝土采用C30標(biāo)準(zhǔn)，荷載參數(shù)如下表所示，討論該工程的基礎(chǔ)設(shè)計方案。各工況下傳至基礎(chǔ)頂部的荷載標(biāo)準(zhǔn)值工況名 稱Fxk(kN)Fyk(kN)Fzk(kN)Mxk(kNm)Myk(kNm)Mzk(kNm)正常運行荷載工況233.70-20151486

6、8.20175.7極端荷 載工況562.20-1577332530886多遇地震工況394.860-2107.4324321.720175.7罕遇地震工況1240.950-2592.68873952.6970175.7疲勞荷載工況（上限）318.5125.4-19018943.5187781645疲勞荷載工況（下限）-64.5-129.6-2105-7631.5-4172-1543修正后的荷載標(biāo)準(zhǔn)值工況Fxk(kN)Fyk(kN)Fzk(kN)Mxk(kNm)Myk(kNm)Mzk(kNm)正常運行荷載315.502720200710237.2極端荷 載7590212944489101196.

7、11.1方形基礎(chǔ)FD003-2007風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定中推薦了底面形狀為矩形的擴展基 礎(chǔ)，根據(jù)風(fēng)機隨機荷載的對稱性，可取為一階正方形擴展基礎(chǔ)，按地基承載力特 征值來確定基礎(chǔ)的地面積。在建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中，軸心受力或者偏心 受力的基礎(chǔ)底面面積的確定可由下面公式計算得到，并根據(jù)偏心距的大小相應(yīng)增 加10%50%其中p 基礎(chǔ)底面平均壓力N廠荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴展基礎(chǔ)頂面的豎向力修正標(biāo)準(zhǔn)值，N = kF , k =1.35G 一荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，擴展基礎(chǔ)自重和擴展基礎(chǔ)上覆土自重標(biāo)準(zhǔn)值，G =20dA，A為擴展基礎(chǔ)底面積kd為基礎(chǔ)埋深f 一修正后的地基承載力特征值a經(jīng)變換后可得

8、A Z k（2）J - 20dFD003-2007風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）規(guī)定基礎(chǔ)的埋深d應(yīng)控 制在結(jié)構(gòu)高度的1/151/8之間，本例可初步取為6m,基礎(chǔ)高度h應(yīng)控制在輪轂 高度的1/301/20之間，可取為3m，采用正常運行工況下的荷載標(biāo)準(zhǔn)值進行計 算得A24.7m2可初步取A=25 m2，則基礎(chǔ)底邊長為l =5m，又FD003-2007風(fēng)電機組地基基礎(chǔ) 設(shè)計規(guī)定（試行）中規(guī)定基礎(chǔ)底面直徑或者邊長應(yīng)控制在輪轂高度的1/51/3, 可取邊長為l = 16m，則A=256 m2，由此可見，按構(gòu)造要求所取的基礎(chǔ)底面積可完 全滿足式（1）的要求，所以根據(jù)軸心受力確定風(fēng)機基礎(chǔ)底面積并根據(jù)偏心距

9、相 應(yīng)增大底面積的方法是不實際的，由于基礎(chǔ)承受偏心受力，偏心距為M + Fh、e = Nk + Gk（3）k kM舊一荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴展基礎(chǔ)頂面的力矩合力的修正 標(biāo)準(zhǔn)值M =k0M .F 一荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面水平力修正標(biāo)準(zhǔn)值kF = kFk 0 xk TOC o 1-5 h z h-、基礎(chǔ)高度按正常運行工況計算，當(dāng)A=25 m2時，e =3.67m 1/6，顯然，合力作用點已經(jīng)不 在基礎(chǔ)范圍之內(nèi)，基礎(chǔ)呈大偏心受力狀態(tài)，驗算此時的地基反力 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document p= 2N1G2k max3laa一

10、合力作用點至基底最大壓力邊緣距離本例方形基礎(chǔ)b = l得P 0,說明此時基礎(chǔ)已經(jīng)傾覆。由此進一步說明按軸心受力確定基礎(chǔ)底 面積*根據(jù)偏心距適當(dāng)增加的方法是不可取的。高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和規(guī)定 中指出基礎(chǔ)的設(shè)計要求基礎(chǔ)底面在正常運行工況下不得脫離地基，在極限荷載工 況下基礎(chǔ)脫離地基的面積要控制在25%之內(nèi)。根據(jù)這一原則，驗算當(dāng)A=256 m2 時是否滿足設(shè)計要求 TOC o 1-5 h z P= Nk * Gk +M 1.2 f（5）k maxAWan N + G M(6)P = kk k N 0k min AWM k一荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴展基礎(chǔ)底面的力矩合力的修正 標(biāo)準(zhǔn)值M廣kM k

11、 + hF ）（說明：規(guī)定中此處m上指上部結(jié)構(gòu)傳至基 礎(chǔ)頂面的力矩，這樣顯然是不合理的。此處作出修正。）W 基礎(chǔ)底面截面抵抗矩，對矩形為W = bl 2 ；6，圓形為W =兀d 3.，32|Y此時在正常運行工況下在極限荷載工況下P=160kpaP=101kpaP=194kpap=62kpa則有- k maxk min 0以及極限荷k maxak min載工況下PW /入手，首先根據(jù)構(gòu)造條件確定基礎(chǔ)埋深為6m，高3m，設(shè)基礎(chǔ)底面邊長為Z，然后利用式(5)，(6)得 TOC o 1-5 h z P_N + GM N +Ydl MI 2 fk max -守F刑 aP_N + GM _N日dl2 M

12、0k maxkW - 12l3 / -代入正常運行荷載數(shù)據(jù)并利用數(shù)值分析的方法解得l 11.105m，構(gòu)造要求基礎(chǔ)底面邊長須在11m21.6m之間，故可取l=11.500m，此時驗算極限荷載，其偏心距 為 e =2.62m l /6=1.917m，需按式（4 ）計算，其中 a = l：: 2 - e =3.13m，得 P =333.36kpa 1.2 f =1.2x230kpa=276kpa，不滿足要求，故還需利用極限 荷載下P W 1.2 f作為設(shè)計控制條件重新確定基礎(chǔ)底面尺寸。W1.2 fa2(N + G)2(N +y dl2) k max3la =3l (1/ 2 - e)其中M +Fh

13、 M +F h e = Nk + Gk = N k+ dl 2 k kk代入極限荷載數(shù)據(jù)解得l 12.600m，可取l =13m，此時極限荷載下e =2.105m 0仍然未能充分發(fā)揮其承載潛力，由式（8）知這和基礎(chǔ)的埋深是 有關(guān)系的。為了經(jīng)濟起見，結(jié)合構(gòu)造要求，可以將埋深修改為4.5m，驗算極限 荷載下的地基承載力，此時e =2.720m i/6=2.167m，a = 1/2-e =3.78m，需按式 （4）計算得p =235kpa 1.2 / =276kpa基礎(chǔ)脫開地基面積所占比例為（1 -3做I =0.1277 0.25符合設(shè)計要求。驗算正常運 行荷載工況下的地基承載力，此時e=1.172

14、m 1 /6=2.167m，按式（5），（6）計算 得p =163.5kpa，p =48.7kpa符合設(shè)計要求。至此，本工程基礎(chǔ)底面尺寸 的優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)完成，可節(jié)省混凝土 261m3, 土方量775.5 m3o附里正模型計算如下：1.1已知條件：類型：階梯形柱數(shù)：單柱階數(shù)：1基礎(chǔ)尺寸（單位mm）:b1=13000, b11=6500, a1=13000, a11=6500, h1=3000柱:圓柱，直徑=4000mm設(shè)計值：N=4080.00kN, Mx=30107.70kN.m, Vx=472.50kN, My=0.00kN.m, Vy=0.00kN 標(biāo)準(zhǔn)值：Nk=2720.00kN, Mx

15、k=20071.80kN.m, Vxk=315.00kN, Myk=0.00kN.m, Vyk=0.00kN 混凝土強度等級：C30, fc=14.30N/mm2 鋼筋級別：HRB335, fy=300N/mm2 基礎(chǔ)混凝土保護層厚度：40mm 基礎(chǔ)與覆土的平均容重：20.00kN/m3 修正后的地基承載力特征值：230kPa 基礎(chǔ)埋深：4.50m作用力位置標(biāo)高：-1.500m剪力作用附加彎矩M=V*h（力臂h=3.000m）:My=1417.50kN.mMyk=945.00kN.m1.2計算要求：基礎(chǔ)抗彎計算基礎(chǔ)抗沖切驗算地基承載力驗算單位說明：力：kN,力矩：kN.m,應(yīng)力：kPa2計算過

16、程和計算結(jié)果2.1基底反力計算：2.1.1統(tǒng)計到基底的荷載標(biāo)準(zhǔn)值:Nk = 2720.00, Mkx = 20071.80, Mky = 945.00設(shè)計值:N = 4080.00, Mx = 30107.70, My = 1417.502.1.2承載力驗算時，底板總反力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa):相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合pkmax = (Nk + Gk)/A + |Mxk|/Wx + |Myk|/Wy =163.49 kPapkmin = (Nk + Gk)/A - |Mxk|/Wx - |Myk|/Wy= 48.70 kPapk = (Nk + Gk)/A = 106.09 kPa各角點反力 p1=1

17、58.33 kPa, p2=163.49 kPa, p3=53.86 kPa, p4=48.70 kPa2.1.3強度計算時，底板凈反力設(shè)計值(kPa):相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合pmax = N/A + |Mx|/Wx + |My|/Wy =110.24 kPapmin = N/A - |Mx|/Wx - |My|/Wy=-61.95 kPap = N/A = 24.14 kPa各角點反力 p1=102.49 kPa, p2=110.24 kPa, p3=-54.21 kPa, p4=-61.95 kPapmin=-61.95kPa 0,底板局部承受土重負(fù)彎矩,程序未計算板頂負(fù)筋，需用戶自行處理

18、！2.2地基承載力驗算：pk=106.09 fa=230.00kPa,滿足pkmax=163.49 1.2*fa=276.00kPa,滿足2.3基礎(chǔ)抗沖切驗算：抗沖切驗算公式 F= As=1242mm2/mY 向?qū)嵟?D16160(1257mm2/m) = As=1242mm2/m 2.圓形基礎(chǔ)實際工程中基礎(chǔ)底面形狀多為圓形，這是考慮風(fēng)機荷載為360度隨機荷載所 產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果，但它的承載能力和經(jīng)濟性未必比方形基礎(chǔ)好，筆者在此做簡單 的討論。接上例，取圓形基礎(chǔ)的高度仍為3m，埋深4.5m，按相同的混凝土用量來 計算圓形基礎(chǔ)的底面直徑，并將其承載能力與方形基礎(chǔ)比較。求得底面直徑為d=14.67m，極限荷載下e =2.720m d /6=2.445m，查高聳結(jié) 構(gòu)設(shè)計規(guī)范圓(環(huán))形基礎(chǔ)在核心區(qū)外受偏心荷載時按下式計算P max探1a =t rc1F 一相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下上部結(jié)構(gòu) k傳至基的豎向力值(kN)。說明：此處應(yīng)為修正后 的荷載標(biāo)準(zhǔn)值。