风机基础形式方案比较

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 1650万千瓦

2、，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或 电力规范原封

3、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，某风电场一台风机

4、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

5、合理，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Y =20kN/m3,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233.70-20151486

6、8.20175.7极端荷 载工况562.20-1577332530886多遇地震工况394.860-2107.4324321.720175.7罕遇地震工况1240.950-2592.68873952.6970175.7疲劳荷载工况（上限）318.5125.4-19018943.5187781645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315.502720200710237.2极端荷 载7590212944489101196.

7、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%其中p 基础底面平均压力N厂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准值，N = kF , k =1.35G 一荷载效应标准组合下，扩展基础自重和扩展基础上覆土自重标准值，G =20dA，A为扩展基础底面积kd为基础埋深f 一修正后的地基承载力特征值a经变换后可得

8、A Z k（2）J - 20dFD003-2007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A24.7m2可初步取A=25 m2，则基础底边长为l =5m，又FD003-2007风电机组地基基础 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l = 16m，则A=256 m2，由此可见，按构造要求所取的基础底面积可完 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

9、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M + Fh、e = Nk + Gk（3）k kM旧一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正 标准值M =k0M .F 一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kF = kFk 0 xk TOC o 1-5 h z h-、基础高度按正常运行工况计算，当A=25 m2时，e =3.67m 1/6，显然，合力作用点已经不 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 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document p= 2N1G2k max3laa一

10、合力作用点至基底最大压力边缘距离本例方形基础b = l得P 0,说明此时基础已经倾覆。由此进一步说明按轴心受力确定基础底 面积*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 m2 时是否满足设计要求 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正 标准值M广kM k

11、 + hF ）（说明：规定中此处m上指上部结构传至基 础顶面的力矩，这样显然是不合理的。此处作出修正。）W 基础底面截面抵抗矩，对矩形为W = bl 2 ；6，圆形为W =兀d 3.，32|Y此时在正常运行工况下在极限荷载工况下P=160kpaP=101kpaP=194kpap=62kpa则有- k maxk min 0以及极限荷k maxak min载工况下PW /入手，首先根据构造条件确定基础埋深为6m，高3m，设基础底面边长为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 / -代入正常运行荷载数据并利用数值分析的方法解得l 11.105m，构造要求基础底面边长须在11m21.6m之间，故可取l=11.500m，此时验算极限荷载，其偏心距 为 e =2.62m l /6=1.917m，需按式（4 ）计算，其中 a = l：: 2 - e =3.13m，得 P =333.36kpa 1.2 f =1.2x230kpa=276kpa，不满足要求，故还需利用极限 荷载下P W 1.2 f作为设计控制条件重新确定基础底面尺寸。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代入极限荷载数据解得l 12.600m，可取l =13m，此时极限荷载下e =2.105m 0仍然未能充分发挥其承载潜力，由式（8）知这和基础的埋深是 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 荷载下的地基承载力，此时e =2.720m i/6=2.167m，a = 1/2-e =3.78m，需按式 （4）计算得p =235kpa 1.2 / =276kpa基础脱开地基面积所占比例为（1 -3做I =0.1277 0.25符合设计要求。验算正常运 行荷载工况下的地基承载力，此时e=1.172

14、m 1 /6=2.167m，按式（5），（6）计算 得p =163.5kpa，p =48.7kpa符合设计要求。至此，本工程基础底面尺寸 的优化设计已经完成，可节省混凝土 261m3, 土方量775.5 m3o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=13000, 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, Mx

15、k=20071.80kN.m, Vxk=315.00kN, Myk=0.00kN.m, Vyk=0.00kN 混凝土强度等级：C30, fc=14.30N/mm2 钢筋级别：HRB335, fy=300N/mm2 基础混凝土保护层厚度：40mm 基础与覆土的平均容重：20.00kN/m3 修正后的地基承载力特征值：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：基础抗弯计算基础抗冲切验算地基承载力验算单位说明：力：kN,力矩：kN.m,应力：kPa2计算过

16、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(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=1

17、58.33 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 = 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 0,底板局部承受土重负弯矩,程序未计算板顶负筋，需用户自行处理

18、！2.2地基承载力验算：pk=106.09 fa=230.00kPa,满足pkmax=163.49 1.2*fa=276.00kPa,满足2.3基础抗冲切验算：抗冲切验算公式 F= As=1242mm2/mY 向实配 D16160(1257mm2/m) = As=1242mm2/m 2.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 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e =2.720m d /6=2.445m，查高耸结 构设计规范圆(环)形基础在核心区外受偏心荷载时按下式计算P max探1a =t rc1F 一相应于荷载效应标准组合下上部结构 k传至基的竖向力值(kN)。说明：此处应为修正后 的荷载标准值。