風電機組預應力錨栓基礎局部承壓分析

劉 嬪,張立英,崔振磊,付志強

(中國電建集團西北院勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)04—0099—03

風電機組預應力錨栓基礎局部承壓分析

劉 嬪,張立英,崔振磊,付志強

(中國電建集團西北院勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

風電機組預應力錨栓基礎在預壓力作用下，錨固區混凝土將承受較大的局部壓力。文章對錨固區混凝土的局部壓應力、局部受壓區的截面尺寸和局部受壓承載力進行了驗算分析，對預應力錨栓基礎的設計具有參考價值。

預應力錨栓;塔架基礎；混凝土；壓應力；截面尺寸；承載力；風力發電

0 前 言

風能是一種清潔、安全、永續、綠色無污染的可再生新興能源，而風能發電技術是一項綜合性技術，涉及多個學科和多種領域。其中風電機組基礎的構建是風電場建設的重要環節，是風電機組結構的重要組成部分，它承擔著將上部結構所承受的全部荷載和作用有效地傳遞到地基，并保持結構整體穩定的作用[1]。與一般的建筑結構不同，風電機組基礎具有承受360°方向重復荷載和大偏心受力的特殊性，對地基的要求高[2]。如果風機基礎設計不合理或地基處理不當將直接影響風機安全，造成不可估量的損失。

目前中國風電主機生產廠家采用的風電機組基礎過渡段連接方案有預應力螺栓連接和基礎環連接2種型式。基礎環連接方式的風機基礎工程設計經驗較為豐富，施工技術也比較成熟。但基礎環直徑大，相對埋深淺，受力機理不明確，基礎環與頂面混凝土的防水密封以及下法蘭附近的應力集中問題是該結構型式的薄弱環節，已經有此類問題引起的工程事故發生。預應力螺栓連接方式的風機基礎受力特性明確，吸能性能更好，加工周期短，正在進一步推廣，然而，由于預壓力的作用，錨固區混凝土將承受較大的局部壓力，若設計或施工處理不當，構件將產生較大的裂縫，甚至會將混凝土局部壓碎。因此，研究風電機組預應力螺栓基礎的局部受力情況對風機在服役期內的安全與使用有著非常重要的意義。

1 計算方法

風電機組基礎過渡段采用預應力螺栓連接方式時，施加預應力后，基礎有3個部位混凝土將承受較大的局部壓力，因此需對塔筒T形法蘭下的高強灌漿、高強灌漿下部以及下錨板上部混凝土局部受力情況進行分析。本文根據相關規范，并結合工程實例說明了預應力螺栓連接方式的風電機組基礎內部混凝土的局部壓應力、局部受壓區截面尺寸和局部受壓承載力的驗算方法。

1.1 基本資料

由塔筒廠家提供的上部結構荷載作用于塔筒底部的T形法蘭上，豎向荷載Fzk，水平向荷載Frk，彎矩Mrk，扭矩Mzk；T形法蘭外直徑D1，內直徑D2，厚度t1；高強灌漿外直徑D3，內直徑D4，厚度t2；錨栓數目n，預拉力Pa，錨栓直徑d1，錨栓孔直徑d2，外圈螺栓分布半徑r1，內圈螺栓分布半徑r2；下錨板外直徑D5，內直徑D6，厚度t3。

1.2 計算內容

1.2.1 局部壓應力計算

環形構件承受偏心荷載作用時，構件底面壓應力可按下列公式計算，見圖1。

圖1 壓應力計算示意圖

(1)

(2)

圖2 局部抗壓計算示意圖

式中：Fz為荷載效應基本組合時，上部結構傳至基礎頂面的豎向力設計值，Fz=1.2×Fzk；Pa為預應力錨栓的預拉力；A為環形構件底面面積；Mr為荷載效應基本組合時，作用于基礎底面的力矩合力設計值，Mr=1. 5×Mrk；W為環形構建的截面抵抗矩；σmax為荷載效應基本組合時，基礎底面邊緣的最大壓應力值；σmin為荷載效應基本組合時，基礎底面邊緣的最小壓應力值。當計算下錨板上部混凝土壓應力時，公式(1)、(2)可簡化為：

(3)

1.2.2 局部受壓區的截面尺寸驗算

配置間接鋼筋的混凝土結構構件，其局部受壓區的截面尺寸應符合下列要求[4]，計算附圖如圖2所示。

Fl≤1.35βcβlfcAln

(4)

(5)

式中：Fl為局部受壓面上作用的局部壓力設計值；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；βc為混凝土強度影響系數，按文獻[4]第6.3.1條的規定取用；β1為混凝土局部受壓時的強度提高系數；Al為混凝土局部受壓面積；Aln為混凝土局部受壓凈面積，在混凝土局部受壓面積中扣除孔道的面積；Ab為局部受壓的計算底面積,按文獻[4]第6.6.2條確定。

1.2.3 局部受壓承載力驗算

配置方格網式或螺旋式間接鋼筋的局部受壓承載力應符合下列規定[4]：

Fl≤0.9(βcβlfc+2αρvβcorfyv)Aln

(6)

1.3 工程實例

某風電場選用單機容量為3.0 MW的某廠家風機，上部結構傳至塔筒底部的正常運行荷載和極端荷載見表1。

表1 作用于3.0 MW風機塔筒底部的荷載及風機

圖3 風機基礎尺寸圖 單位：mm

結合本風場的相關資料，根據廠家提供的3.0 MW直驅風電機組荷載資料、錨籠環資料，以及工程地質資料，對風機基礎進行設計。在滿足結構和構造要求條件下，確定風機基礎體型為高3.96 m的鋼筋混凝土淺埋式基礎。基礎底部為直徑20.8 m、高1.0 m的圓柱；中間為底面直徑20.8 m、頂面直徑6.4 m、高1.7 m的圓臺；上部為直徑6.0 m、高1.26 m的臺柱，基礎采用C40混凝土，高強灌漿抗壓強度為60 MPa,具體基礎尺寸見圖3。

筒下部T形法蘭外直徑D1=4 638 mm，內直徑D2=3 842 mm，t1=120 mm；高強灌漿外直徑D3=4 838 mm，內直徑D4=3 642 mm，厚度t2=90 mm；錨栓數目n=188，預拉力值Pa=680 kN，錨栓直徑d1=48 mm，錨栓孔直徑d2=51 mm，外圈螺栓分布半徑r1=2 215 mm，內圈螺栓分布半徑r2=2 025 mm；塔下錨板外直徑D5=4 650 mm，內直徑D6=3 850 mm，厚度t3=60 mm。

本工程風電機組預應力錨栓基礎在極端荷載工況下，各部位的局部承壓計算結果見表2。

表2 風機基礎承壓計算結果統計表

由表2可知：① 風電機組預應力錨栓基礎內高強灌漿和高強灌漿下主體混凝土在極端荷載工況下出現最大壓應力，下錨板上部主體混凝土在施加預拉力后出現了最大壓應力。② 在極端荷載工況下，高強灌漿和高強灌漿下主體混凝土的最小壓應力均大于0，說明T形法蘭與高強灌漿接觸面、高強灌漿與主體混凝土接觸面均處于純壓狀態，接觸面未脫開。說明本工程所施加的預拉應力大小合理且經濟。③ 通過對高強灌漿、高強灌漿下主體混凝土、下錨板上部主體混凝土的局部壓應力、局部受壓截面尺寸和局部受壓承載力進行驗算，驗算結果表明，這幾個部位的局部壓應力、局部受壓截面尺寸和局部受壓承載力驗算均能滿足文獻[4]要求。

2 結 語

風電機組預應力錨栓基礎需對高強灌漿、高強灌漿下主體混凝土和下錨板上部主體混凝土進行承壓分析。本文提供了一種風電機組預應力錨栓基礎壓應力計算、局部受壓截面尺寸和局部受壓承載力的驗算方法，并結合實例加以說明，對預應力錨栓基礎的設計有一定的參考價值。

[1] 馬人樂,孫永良,黃冬平.風力發電塔井格梁板式預應力錨栓基礎設計研究[C]//第18屆全國結構工程學術會議論文集第Ⅲ冊,2009.

[2] FD003-2007,風電機組地基基礎設計規定(試行)[S].北京：中國水利水電出版社,2007.

[3] GB50135-2006,高聳結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社,2006.

[4] GB50010-2010,混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.

Analysis on Local Pressure of Prestressed Anchor Bolts Foundation of Wind Turbine Generator

LIU Pin, ZHANG Li-ying, CUI Zhen-lei, FU Zhi-qiang

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

The prestressed anchor bolts foundation of the wind turbine generator, under the pre-pressure, results in the higher local pressure on the concrete in the anchoring area. In the paper, the local compressive stress, section size of the local compressive area, and the local compressive bearing capacity of the concrete in the anchoring area are calculated and analyzed. This provides the design of the prestressed bolts concrete with reference.Key words: prestressed anchor bolt; tower foundation; concrete; pressure stress; section size; bearing capacity; wind power

2015-03-10

劉嬪(1986-)，女，陜西省渭南市人，助理工程師，主要從事風電土建設計工作.

TM614;TU476+.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.025