風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式方案比較.doc

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算方法及其方案比較近年來(lái)，人們由于對(duì)能源產(chǎn)生了愈演愈烈的危機(jī)意識(shí)，對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)利用也就顯得愈加迫切，太陽(yáng)能，風(fēng)能，潮汐能等眾多新能源的研究開(kāi)發(fā)工作都在如火如荼的進(jìn)行中。風(fēng)能是一種新型清潔能源，可再生，無(wú)污染，而且儲(chǔ)量豐富，分布范圍廣泛。就我國(guó)來(lái)說(shuō)，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(chǎng)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(jī)容量分布來(lái)看，內(nèi)蒙古裝機(jī)累計(jì)容量920萬(wàn)千瓦，河北省278萬(wàn)千瓦，遼寧省242千瓦，吉林省201千瓦，當(dāng)年全國(guó)實(shí)現(xiàn)新增裝機(jī)容量1380.3萬(wàn)千瓦，而2010年新增容量更是達(dá)到了1650萬(wàn)千瓦，一躍成為新增風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘康谝坏膰?guó)家，是日本的75倍，美國(guó)的兩倍，可見(jiàn)我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)投入了相當(dāng)大的人力，物力和財(cái)力，但數(shù)據(jù)顯示，截至2008年底，我國(guó)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(lái)了諸多問(wèn)題，比如風(fēng)機(jī)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(chǎng)，風(fēng)力發(fā)電塔的設(shè)計(jì)也沒(méi)有專門(mén)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，暫時(shí)參考高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的規(guī)范也僅有試行規(guī)定，即FD003-2007風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定（以下簡(jiǎn)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(jiǎn)單的將原有的建筑或電力規(guī)范原封不動(dòng)的搬過(guò)來(lái)，而對(duì)基礎(chǔ)受大偏心受力，疲勞荷載以及震動(dòng)影響的計(jì)算方法并沒(méi)有做深入的研究，比如基礎(chǔ)在風(fēng)振或地震作用下的動(dòng)態(tài)剛度問(wèn)題，基礎(chǔ)形式的科學(xué)選擇問(wèn)題等，在試行規(guī)定中均未做詳細(xì)介紹，而且對(duì)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(méi)有做解釋。這些問(wèn)題的存在，給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及塔架基礎(chǔ)的安全埋下了隱患。雖然風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的投資費(fèi)用只占整個(gè)風(fēng)機(jī)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(tái)風(fēng)中，某風(fēng)電場(chǎng)28臺(tái)機(jī)組全部受損，其中有有11臺(tái)風(fēng)機(jī)葉片被吹斷，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)連基礎(chǔ)被拔出。2008年，某風(fēng)電場(chǎng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)突然倒塌，基礎(chǔ)被連根拔起，這兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)采用的基礎(chǔ)形式是天然地基上的擴(kuò)展基礎(chǔ)，被連根拔起的基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)方面肯定存在一些問(wèn)題，這與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)沒(méi)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?cè)诩涌煨袠I(yè)發(fā)展的同時(shí)，也要加快相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定，否則將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。本文將對(duì)天然地基上的擴(kuò)展基礎(chǔ)的底面形狀及其計(jì)算方法做簡(jiǎn)單的討論。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)承受360度方向的大偏心震動(dòng)隨機(jī)荷載，按照對(duì)稱的原則，基礎(chǔ)底面形式選為圓形最為合理，但實(shí)際情況是，雖然按理論風(fēng)電機(jī)組會(huì)受任意方向的風(fēng)荷載，但對(duì)于某個(gè)地區(qū)來(lái)說(shuō)，在一年中僅有幾個(gè)盛行風(fēng)向，簡(jiǎn)單的將基礎(chǔ)底面選為圓形并不一定經(jīng)濟(jì)合理，沒(méi)有數(shù)據(jù)作為其理論支撐。而規(guī)定中提供的擴(kuò)展基礎(chǔ)底面為矩形，完全是從建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中搬過(guò)來(lái)的，沒(méi)有考慮風(fēng)振影響，和一般的民用建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)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(jī)裝機(jī)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=20kN/m,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(jì)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(yùn)行荷載工況233.70-201514868.20175.7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(yùn)行荷載315.502720200710237.2極端荷載7590212944489101196.11.1 方形基礎(chǔ)FD003-2007風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定中推薦了底面形狀為矩形的擴(kuò)展基礎(chǔ)，根據(jù)風(fēng)機(jī)隨機(jī)荷載的對(duì)稱性，可取為一階正方形擴(kuò)展基礎(chǔ)，按地基承載力特征值來(lái)確定基礎(chǔ)的地面積。在建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jì)算得到，并根據(jù)偏心距的大小相應(yīng)增加10%50% (1)其中基礎(chǔ)底面平均壓力荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴(kuò)展基礎(chǔ)頂面的豎向力修正標(biāo)準(zhǔn)值，=，=1.35荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，擴(kuò)展基礎(chǔ)自重和擴(kuò)展基礎(chǔ)上覆土自重標(biāo)準(zhǔn)值, =，為擴(kuò)展基礎(chǔ)底面積為基礎(chǔ)埋深修正后的地基承載力特征值經(jīng)變換后可得 （2）FD003-2007風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(yùn)行工況下的荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算得A24.7m可初步取A=25 m，則基礎(chǔ)底邊長(zhǎng)為=5m，又FD003-2007風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定（試行）中規(guī)定基礎(chǔ)底面直徑或者邊長(zhǎng)應(yīng)控制在輪轂高度的1/51/3,可取邊長(zhǎng)為=16m，則A=256 m，由此可見(jiàn)，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(jī)基礎(chǔ)底面積并根據(jù)偏心距相應(yīng)增大底面積的方法是不實(shí)際的，由于基礎(chǔ)承受偏心受力，偏心距為 （3）荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴(kuò)展基礎(chǔ)頂面的力矩合力的修正標(biāo)準(zhǔn)值荷載效應(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)值基礎(chǔ)高度按正常運(yùn)行工況計(jì)算，當(dāng)A=25 m時(shí)，=3.67m/6，顯然，合力作用點(diǎn)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(yàn)算此時(shí)的地基反力 （4）合力作用點(diǎn)至基底最大壓力邊緣距離本例方形基礎(chǔ)=得0，說(shuō)明此時(shí)基礎(chǔ)已經(jīng)傾覆。由此進(jìn)一步說(shuō)明按軸心受力確定基礎(chǔ)底面積并根據(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(jì)規(guī)范和規(guī)定中指出基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)底面在正常運(yùn)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(yàn)算當(dāng)A=256 m時(shí)是否滿足設(shè)計(jì)要求 1.2 （5） 0 （6）荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴(kuò)展基礎(chǔ)底面的力矩合力的修正標(biāo)準(zhǔn)值（說(shuō)明：規(guī)定中此處指上部結(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。）基礎(chǔ)底面截面抵抗矩，對(duì)矩形為，圓形為此時(shí)在正常運(yùn)行工況下=160kpa =101kpa在極限荷載工況下=194kpa =62kpa則有， 1.2完全滿足設(shè)計(jì)要求。但是上述按構(gòu)造要求得到的基礎(chǔ)尺寸過(guò)于保守，沒(méi)有充分利用材料，例如在極限荷載工況下是允許基礎(chǔ)脫開(kāi)地基的，只要脫開(kāi)面積控制在基礎(chǔ)底面積的25%之內(nèi)即可。換另一種設(shè)計(jì)思路，直接從正常運(yùn)行時(shí)，0以及極限荷載工況下入手，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(zhǎng)為，然后利用式（5），（6）得1.2 （7）0 （8）代入正常運(yùn)行荷載數(shù)據(jù)并利用數(shù)值分析的方法解得11.105m，構(gòu)造要求基礎(chǔ)底面邊長(zhǎng)須在11m21.6m之間，故可取=11.500m，此時(shí)驗(yàn)算極限荷載，其偏心距為=2.62m/6=1.917m，需按式（4）計(jì)算，其中=3.13m，得=333.36kpa1.2=1.2x230kpa=276kpa，不滿足要求，故還需利用極限荷載下1.2作為設(shè)計(jì)控制條件重新確定基礎(chǔ)底面尺寸。1.2其中 =代入極限荷載數(shù)據(jù)解得12.600m，可取=13m，此時(shí)極限荷載下=2.105m/6=2.167m，故需按式（7），（8）驗(yàn)算極限荷載下地基承載力，經(jīng)計(jì)算得=255kpa =10kpa完全滿足設(shè)計(jì)要求。由此可見(jiàn)，本例基礎(chǔ)的底面尺寸是由極限荷載控制的，這意味著在某些風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中可以直接采用極限荷載作為設(shè)計(jì)控制條件，結(jié)合構(gòu)造要求得出最終結(jié)果，而不需驗(yàn)證正常荷載工況下的地基承載力，因?yàn)榇藭r(shí)正常運(yùn)行荷載下的地基承載力必然滿足要求。筆者發(fā)現(xiàn)，雖然上述最終設(shè)計(jì)結(jié)果符合要求，但是極限荷載工況下=10kpa0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(jì)起見(jiàn)，結(jié)合構(gòu)造要求，可以將埋深修改為4.5m，驗(yàn)算極限荷載下的地基承載力，此時(shí)=2.720m/6=2.167m，=3.78m，需按式（4）計(jì)算得=235kpa1.2=276kpa基礎(chǔ)脫開(kāi)地基面積所占比例為=0.12770.25符合設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)算正常運(yùn)行荷載工況下的地基承載力，此時(shí)=1.172m/6=2.167m，按式（5），（6）計(jì)算得=163.5kpa，=48.7kpa符合設(shè)計(jì)要求。至此，本工程基礎(chǔ)底面尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，可節(jié)省混凝土261m，土方量775.5 m。附里正模型計(jì)算如下：1.1 已知條件： 類型：階梯形 柱數(shù)：?jiǎn)沃?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(jì)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, Mxk=20071.80kN.m, Vxk=315.00kN, Myk=0.00kN.m, Vyk=0.00kN 混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C30, fc=14.30N/mm2 鋼筋級(jí)別：HRB335, fy=300N/mm2 基礎(chǔ)混凝土保護(hù)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.m Myk=945.00kN.m1.2計(jì)算要求： (1)基礎(chǔ)抗彎計(jì)算 (2)基礎(chǔ)抗沖切驗(yàn)算 (3)地基承載力驗(yàn)算 單位說(shuō)明： 力：kN, 力矩：kN.m, 應(yīng)力：kPa2 計(jì)算過(guò)程和計(jì)算結(jié)果2.1 基底反力計(jì)算：2.1.1 統(tǒng)計(jì)到基底的荷載 標(biāo)準(zhǔn)值:Nk = 2720.00, Mkx = 20071.80, Mky = 945.00 設(shè)計(jì)值:N = 4080.00, Mx = 30107.70, My = 1417.502.1.2 承載力驗(yàn)算時(shí),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 kPa pkmin = (Nk + Gk)/A - |Mxk|/Wx - |Myk|/Wy = 48.70 kPa pk = (Nk + Gk)/A = 106.09 kPa 各角點(diǎn)反力 p1=158.33 kPa, p2=163.49 kPa, p3=53.86 kPa, p4=48.70 kPa2.1.3 強(qiáng)度計(jì)算時(shí),底板凈反力設(shè)計(jì)值(kPa): 相應(yīng)于荷載效應(yīng)基本組合 pmax = N/A + |Mx|/Wx + |My|/Wy = 110.24 kPa pmin = N/A - |Mx|/Wx - |My|/Wy = -61.95 kPa p = N/A = 24.14 kPa 各角點(diǎn)反力 p1=102.49 kPa, p2=110.24 kPa, p3=-54.21 kPa, p4=-61.95 kPa pmin=-61.95kPa 0, 底板局部承受土重負(fù)彎矩,程序未計(jì)算板頂負(fù)筋,需用戶自行處理!2.2 地基承載力驗(yàn)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(yàn)算: 抗沖切驗(yàn)算公式 Fl= As=1242mm2/m Y向?qū)嵟?D16160(1257mm2/m) = As=1242mm2/m2.圓形基礎(chǔ)實(shí)際工程中基礎(chǔ)底面形狀多為圓形，這是考慮風(fēng)機(jī)荷載為360度隨機(jī)荷載所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)果，但它的承載能力和經(jīng)濟(jì)性未必比方形基礎(chǔ)好，筆者在此做簡(jiǎn)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(lái)計(jì)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=2.720m/6=2.445m，查高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范圓（環(huán)）形基礎(chǔ)在核心區(qū)外受偏心荷載時(shí)按下式計(jì)算相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下上部結(jié)構(gòu)傳至基的豎向力值