風電機組樁基圓形承臺設計計算

（中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450007）

0 引言

近年來我國風電開發迅速發展，目前單機容量2.5MW風電機組在平原地區廣泛應用，平原地區風機輪轂高度大，風機基礎需承受巨大的彎矩荷載，而豎向荷載和水平荷載相對較小，基礎常采用樁基圓形承臺的基礎形式。目前風電機組基礎設計采用規范[1]，該規范要求承臺應滿足抗沖切、抗剪切、抗彎承載力的要求[1]，但規范[1] ～[3]僅給出矩形承臺的正截面彎矩、受沖切承載力和斜截面受剪承載力的計算公式，對圓形承臺沒有明確規定。

文獻[4]提供了圓形承臺受彎承載力的計算方法，文獻[5]提出了圓形擴展基礎沖切計算的簡化模型，文獻[6]給出了圓形風機基礎承臺有限元分析方法，文獻[7]提供了圓形橋墩承臺的設計方法，文獻[8]給出了圓形角樁對矩形承臺沖切的計算方法。由于現行規范無圓形承臺的具體設計方法，實際工程設計中很難操作，為此，本文推導了風電機組樁基圓形承臺的抗彎計算、抗沖切驗算和斜截面抗剪驗算的計算公式，并將其應用于實際工程進行驗證。

1 計算公式

風電機組樁基礎和圓形承臺如圖1、2所示。圓形承臺底面半徑R1，外緣高度h1，棱臺高度h2，臺柱半徑R2，其高度h3，臺柱頂至承臺底的高度為H；兩圈樁，樁徑d，外圈樁布置半徑r1，樁數n1，內圈樁布置半徑r2，樁數n2。

1.1 樁頂豎向力

平原風電機組一般采用低樁承臺，承臺計算時可不考慮承臺及其上土重。

不計承臺及其上土重，荷載效應基本組合下，樁頂豎向力計算公式：

式中，Fzk為上部結構傳來的豎向力；Frk為上部結構傳來的水平力；Mrk為上部結構傳來的水平力矩；γz為荷載分項系數，計算承臺底部彎矩時，取1.2，計算承臺頂部彎矩時，取1.0，抗沖切驗算和斜截面抗剪驗算時，取1.2；γm為荷載分項系數，抗彎計算、抗沖切驗算、斜截面抗剪驗算時，取1.5；xi為樁x坐標，外圈樁xi=r1?cosθi，內圈樁xi=r2?cosθi；θi為樁與承臺中心連線與Y軸正向的夾角。

1.2 抗彎計算

不計承臺及其上土重，荷載效應基本組合下，承臺底部的一半樁基受壓而另一半樁基受拔，即圖1中y≥0的樁受壓，y＜0的樁受拔。

（1）承臺徑向彎矩

圓形承臺徑向彎矩計算截面取臺柱邊緣，應分別計算承臺底部和承臺頂部徑向彎矩，計算公式：

（2）承臺配筋面積

承臺徑向鋼筋面積可根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）正截面受彎承載力計算求得，環向鋼筋按構造配筋。徑、環向鋼筋單側縱向鋼筋的最小配筋率不小于0.2%[1]。

1.3 抗沖切驗算

樁基圓形承臺應驗算臺柱對承臺的沖切和角樁對承臺的沖切。

圖1 圓形承臺外形尺寸圖

圖2 樁基平面布置圖

（1）臺柱對承臺的沖切

風電機組內圈樁邊與臺柱邊緣的距離一般大于臺柱根部的承臺厚度，故臺柱對承臺的沖切破壞錐體采用臺柱邊緣向下的45°錐體。

（2）角樁對承臺的沖切

風電機組外圈布樁緊湊，樁間凈距s，s/2常小于角樁向上沖切的45°錐體側面頂邊與底邊之間的水平距離，故角樁對承臺的沖切破壞錐體取圖2所示的1-2-3圓弧。

1.4 斜截面抗剪驗算

樁基圓形承臺應對臺柱邊緣和樁邊連線形成的貫通承臺的斜截面進行抗剪驗算，對圖1中的斜截面1-1、1-2分別進行抗剪驗算。

2 工程算例

某風電場采用2.5MW風機，基礎采用樁基圓形承臺，R1=10m，R2=3.4m，h1=1.0m，h2=1.7m，h3=1.0m，r1=9.4m，r2=6.7m，n1=24，n2=16，d=0.6m。極端荷載工況的載荷Fzk=6146.9kN，Frk=836.4kN，Mrk=111904kN。混凝土C40，鋼筋HRB400。

2.1 樁頂豎向力

不計承臺及其上土重，γz=1.2，γm=1.5時的樁頂豎向壓力、γz=1.0，γm=1.5時的樁頂豎向拔力見表1。

表1 樁頂豎向力設計值

備注：外圈樁N1～N24，內圈樁N25～N40，樁編號隨Y軸逆時針旋轉遞增。

2.2 抗彎計算

臺柱邊緣承臺底部徑向抗彎計算：

臺柱邊緣承臺頂部徑向抗彎計算：

2.3 抗沖切驗算

（1）臺柱對承臺的沖切

（2）角樁對承臺的沖切

綜上，承臺抗沖切承載力滿足要求。

2.4 斜截面抗剪驗算

（1）1-1斜截面

（1）1-2斜截面

綜上，承臺的斜截面抗剪承載力滿足要求。

3 結語

本文根據相關理論，推導了一種用于風電機組樁基圓形承臺抗彎計算、抗沖切驗算和斜截面抗剪驗算的計算公式，并通過對實際工程計算，驗證了此方法的可行性。該方法計算結果合理，操作簡單方便，對風電機組樁基圓形承臺的設計具有一定的參考意義。