1、风机基础设计计算方法及其方案比较近年来，人们由于对能源产生了愈演愈烈的危机意识，对新能源的开发利用也就显得愈加迫切，太阳能，风能，潮汐能等众多新能源的研究开发工作都在如火如荼的进行中。风能是一种新型清洁能源，可再生，无污染，而且储量丰富，分布范围广泛。就我国来说，风能主要分布在华北，东北，西北以及沿海及其岛屿地带，而现有的风力发电场分布区域也是与风力资源分布基本吻合的。2009 年，从风电装机容量分布来看，内蒙古装机累计容量 920 万千瓦，河北省 278 万千瓦，辽宁省 242 千瓦，吉林省 201 千瓦，当年全国实现新增装机容量 1380.3 万千瓦，而 2010 年新增容量更是达到了 1
2、650 万千瓦，一跃成为新增风电装机总容量第一的国家，是日本的 75 倍，美国的两倍，可见我国在风力发电行业投入了相当大的人力，物力和财力，但数据显示，截至 2008 年底，我国风力发电在能源结构中所占的比例不足 2，所以，风力发电行业还有很大的上升空间。但行业的迅速发展也带来了诸多问题，比如风机的荷载参数是通用型的数据，并不一定适应特定的风场，风力发电塔的设计也没有专门的规范和标准，暂时参考高耸结构设计规范 ，同时，风机基础的规范也仅有试行规定，即FD003-2007 风电机组地基基础设计规定 （以下简称规定 ）是参照相关建筑和电力系统的规范和标准而建立的，很多内容仅仅只是简单的将原有的建筑
3、或电力规范原封不动的搬过来，而对基础受大偏心受力，疲劳荷载以及震动影响的计算方法并没有做深入的研究，比如基础在风振或地震作用下的动态刚度问题，基础形式的科学选择问题等，在试行规定中均未做详细介绍，而且对于规定中所提供的三种主要基础类型（天然地基基础，复合型地基基础，桩基础）是否合理也没有做解释。这些问题的存在，给风力发电机组及塔架基础的安全埋下了隐患。虽然风机基础的投资费用只占整个风机投资的 1.7左右，但基础安全的重要性是和上部结构同等重要的，不可掉以轻心。2006 年，在桑美台风中，某风电场 28 台机组全部受损，其中有有 11 台风机叶片被吹断，两台风机连基础被拔出。2008 年，某风电
4、场一台风机在正常运行时突然倒塌，基础被连根拔起，这两个风电场采用的基础形式是天然地基上的扩展基础，被连根拔起的基础在设计方面肯定存在一些问题，这与风机基础设计没有一套成熟的规范作为依据有很大的关系，所以，我们在加快行业发展的同时，也要加快相关规范和标准的制定，否则将会带来巨大的经济损失和安全隐患。本文将对天然地基上的扩展基础的底面形状及其计算方法做简单的讨论。风电机组基础承受 360 度方向的大偏心震动随机荷载，按照对称的原则，基础底面形式选为圆形最为合理，但实际情况是，虽然按理论风电机组会受任意方向的风荷载，但对于某个地区来说，在一年中仅有几个盛行风向，简单的将基础底面选为圆形并不一定经济合
5、理，没有数据作为其理论支撑。而规定中提供的扩展基础底面为矩形，完全是从建筑地基基础设计规范中搬过来的，没有考虑风振影响，和一般的民用建筑基础的设计计算是有区别的，所以它的合理性也有待商榷。某风电工程单机装机容量 1.5MW，轮毂高度 65m，塔筒底面直径 4m，修正后的地基承载力特征值为 230kpa，基础及上覆土加权重度取 =20kN/m ,基础混凝土采用 C30 标准，荷载参数如下表所示，讨论该工程的基础设计方案。各工况下传至基础顶部的荷载标准值工况名称Fxk(kN) Fyk(kN) Fzk(kN) Mxk(kNm) Myk(kNm) Mzk(kNm)正常运行荷载工况233.7 0 -20
6、15 14868.2 0 175.7极端荷载工况562.2 0 -1577 33253 0 886多遇地震工况394.86 0 -2107.43 24321.72 0 175.7罕遇地震工况1240.95 0 -2592.688 73952.697 0 175.7疲劳荷载工况(上限)318.5 125.4 -1901 8943.5 18778 1645疲劳荷载工况(下限)-64.5 -129.6 -2105 -7631.5 -4172 -1543修正后的荷载标准值工况 Fxk(kN) Fyk(kN) Fzk(kN) Mxk(kNm) Myk(kNm) Mzk(kNm)正常运行荷载315.5 0
7、 2720 20071 0 237.2极端荷载759 0 2129 444891 0 1196.11.1 方形基础FD003-2007 风电机组地基基础设计规定中推荐了底面形状为矩形的扩展基础，根据风机随机荷载的对称性，可取为一阶正方形扩展基础，按地基承载力特征值来确定基础的地面积。在建筑地基基础设计规范中，轴心受力或者偏心受力的基础底面面积的确定可由下面公式计算得到，并根据偏心距的大小相应增加 10%50%(1)kaANGpf其中基础底面平均压力kp荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面的竖向力修正标N准值， = ， =1.35k0zkF0荷载效应标准组合下，扩展基础自重和扩展基础上覆
8、土自重标准值, kG= ， 为扩展基础底面积2dA为基础埋深修正后的地基承载力特征值af经变换后可得（2）20kaAdNfFD003-2007 风电机组地基基础设计规定（试行） 规定基础的埋深 d 应控制在结构高度的 1/151/8 之间，本例可初步取为 6m，基础高度 h 应控制在轮毂高度的 1/301/20 之间，可取为 3m，采用正常运行工况下的荷载标准值进行计算得A24.7m可初步取 A=25 m，则基础底边长为 =5m，又FD003-2007 风电机组地基基础l设计规定（试行） 中规定基础底面直径或者边长应控制在轮毂高度的 1/51/3,可取边长为 =16m，则 A=256 m，由此
9、可见，按构造要求所取的基础底面积可l完全满足式（1）的要求，所以根据轴心受力确定风机基础底面积并根据偏心距相应增大底面积的方法是不实际的，由于基础承受偏心受力，偏心距为（3）kheMFNG荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面的力矩合力的修k正标准值 0xk荷载效应标准组合下，上部结构传至基础顶面水平力修正标准值kF0xk基础高度h按正常运行工况计算，当 A=25 m时， =3.67m /6，显然，合力作用点已经el不在基础范围之内，基础呈大偏心受力状态，验算此时的地基反力（4）max)32(kklNGp合力作用点至基底最大压力边缘距离a本例方形基础 =bl得 0，说明此时基础已经倾覆。
10、由此进一步说明按轴心受力确定基础底maxkp面积并根据偏心距适当增加的方法是不可取的。 高耸结构设计规范和规定中指出基础的设计要求基础底面在正常运行工况下不得脱离地基，在极限荷载工况下基础脱离地基的面积要控制在 25%之内。根据这一原则，验算当 A=256 m时是否满足设计要求1.2 （5）maxkkkAWNGMpaf0 （6）inkkk荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础底面的力矩合力的修kM正标准值 （说明：规定中此处 指上部结构传0xkxkhFk至基础顶面的力矩，这样显然是不合理的。此处作出修正。 ）基础底面截面抵抗矩，对矩形为 ，圆形为W26Wbl32d此时在正常运行工况下=160
11、kpa =101kpamaxkpmink在极限荷载工况下=194kpa =62kpaaxk ink则有 ， 1.2 完全满足设计要求。maxin2kkapfmaxkaf但是上述按构造要求得到的基础尺寸过于保守，没有充分利用材料，例如在极限荷载工况下是允许基础脱开地基的，只要脱开面积控制在基础底面积的25%之内即可。换另一种设计思路，直接从正常运行时 ， 0 以及极限maxkpfmink荷载工况下 入手，首先根据构造条件确定基础埋深为 6m，高 3m，maxkpf设基础底面边长为 ，然后利用式（5） ， （6）得l1.2 （7）23ax kkk kkAWdlNGMaf0 （8）23max 6kk
12、k kkpl代入正常运行荷载数据并利用数值分析的方法解得 11.105m ，构造要求基础l底面边长须在 11m21.6m 之间，故可取 =11.500m，此时验算极限荷载，其偏心距为 =2.62m /6=1.917m，需按式（4）计算，其中 =3.13m，得el 2ale=333.36kpa1.2 =1.2x230kpa=276kpa，不满足要求，故还需利用极maxkpaf限荷载下 1.2 作为设计控制条件重新确定基础底面尺寸。axk1.22max)33(2(kkklleNdGpaf其中 =kheMF2kh代入极限荷载数据解得 12.600m，可取 =13m，此时极限荷载下ll=2.105m
13、/6=2.167m，故需按式（ 7） ， （8）验算极限荷载下地基承载力，经el计算得=255kpa =10kpamaxkpmink完全满足设计要求。由此可见，本例基础的底面尺寸是由极限荷载控制的，这意味着在某些风电基础的设计中可以直接采用极限荷载作为设计控制条件，结合构造要求得出最终结果，而不需验证正常荷载工况下的地基承载力，因为此时正常运行荷载下的地基承载力必然满足要求。笔者发现，虽然上述最终设计结果符合要求，但是极限荷载工况下=10kpa0 仍然未能充分发挥其承载潜力，由式（8）知这和基础的埋深minkp是有关系的。为了经济起见，结合构造要求，可以将埋深修改为 4.5m，验算极限荷载下的
14、地基承载力，此时 =2.720m /6=2.167m， =3.78m，需按el2ale式（4）计算得=235kpa1.2 =276kpamaxkpaf基础脱开地基面积所占比例为 =0.12770.25 符合设计要求。验算正常(3)ll运行荷载工况下的地基承载力，此时 =1.172m /6=2.167m，按式（5） ， （6）el计算得 =163.5kpa， =48.7kpa 符合设计要求。至此，本工程基础底maxkpmink面尺寸的优化设计已经完成，可节省混凝土 261m，土方量 775.5 m。附里正模型计算如下：1.1 已知条件：类型：阶梯形柱数：单柱阶数：1基础尺寸(单位mm):b1=1
15、3000, b11=6500, a1=13000, a11=6500, h1=3000柱:圆柱, 直径=4000mm设计值：N=4080.00kN, Mx=30107.70kN.m, Vx=472.50kN, My=0.00kN.m, Vy=0.00kN标准值：Nk=2720.00kN, Mxk=20071.80kN.m, Vxk=315.00kN, Myk=0.00kN.m, Vyk=0.00kN混凝土强度等级：C30, fc=14.30N/mm 2钢筋级别：HRB335, fy=300N/mm 2基础混凝土保护层厚度：40mm基础与覆土的平均容重：20.00kN/m 3修正后的地基承载力特
16、征值：230kPa基础埋深：4.50m作用力位置标高：-1.500m剪力作用附加弯矩M=V*h(力臂h=3.000m)：My=1417.50kN.mMyk=945.00kN.m1.2计算要求：(1)基础抗弯计算(2)基础抗冲切验算(3)地基承载力验算单位说明： 力：kN, 力矩：kN.m, 应力：kPa2 计算过程和计算结果2.1 基底反力计算：2.1.1 统计到基底的荷载标准值:Nk = 2720.00, Mkx = 20071.80, Mky = 945.00设计值:N = 4080.00, Mx = 30107.70, My = 1417.502.1.2 承载力验算时,底板总反力标准值(
17、kPa): 相应于荷载效应标准组合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各角点反力 p1=158.33 kPa, p2=163.49 kPa, p3=53.86 kPa, p4=48.70 kPa2.1.3 强度计算时,底板净反力设计值(kPa): 相应于荷载效应基本组合pmax = N/A + |Mx|/Wx + |My|/Wy= 110.24 kPapmin =
18、 N/A - |Mx|/Wx - |My|/Wy = -61.95 kPap = N/A = 24.14 kPa各角点反力 p1=102.49 kPa, p2=110.24 kPa, p3=-54.21 kPa, p4=-61.95 kPapmin=-61.95kPa = As=1242mm2/mY向实配 D16160(1257mm 2/m) = As=1242mm2/m2.圆形基础实际工程中基础底面形状多为圆形，这是考虑风机荷载为360度随机荷载所产生的设计结果，但它的承载能力和经济性未必比方形基础好，笔者在此做简单的讨论。接上例，取圆形基础的高度仍为3m，埋深4.5m，按相同的混凝土用量来
19、计算圆形基础的底面直径，并将其承载能力与方形基础比较。求得底面直径为d=14.67m，极限荷载下=2.720m /6=2.445m，查 高耸结构设计规ed范圆（环）形基础在核心区外受偏心荷载时按下式计算 2max1kkGFprc相应于荷载效应标准组合下上部结构传至基的竖向力值(kN)。说明：kF此处应为修正后的荷载标准值。， 系数，根据比值r 2/r1及e /r1按规范附录C确定，本例取圆形基础，则r2= 0基底受压面积宽度ca查表 =1.836， =1.436，则=175.5kpa1.2 =276kpa， =0.230.25。maxkpafTA与方形基础比较，极限荷载下安全裕量相对较低。若要获得较大的安全裕量，则需加大埋深或者加大基础底面尺寸，这样圆形基础就没有方形基础经济。验算正常运行荷载下的地基承载力，此时 =1.172m /6=2.445m，核心区ed内受偏心荷载作用时，地基反力按式（5） ， （6）计算， =173.9kpa maxkp=38.3kpa 符合设计要求。minkp
