我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)摘要：近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)能源危機(jī)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的破壞，各種新型清潔能源的應(yīng)用已成為未來(lái)能源資源發(fā)展的方向。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為清潔能源發(fā)電的技術(shù)支撐設(shè)備，已逐漸成為我國(guó)風(fēng)電設(shè)備中不可缺少的一部分。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是影響風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的前提和關(guān)鍵因素。關(guān)鍵詞：中國(guó)風(fēng)電機(jī)組；設(shè)計(jì)；分析；研究風(fēng)電作為一種清潔新能源在我國(guó)發(fā)展迅速，風(fēng)資源狀況（切邊、紊流等）相對(duì)復(fù)雜多變，涉及并網(wǎng)、離網(wǎng)、變槳距和偏航控制策略，這使得在塔底荷載的提取和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)條件的復(fù)雜化變得困難。另外，大型機(jī)艙和大型葉片均裝在風(fēng)電機(jī)組的頂部，其荷載較大，變幅疲勞荷載較大，給塔基的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)困難。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與分析，需要對(duì)地質(zhì)堪查報(bào)告和場(chǎng)地地形進(jìn)行深入的了解和分析，正確判斷工程現(xiàn)場(chǎng)的地基條件，然后根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)模型和單元的參數(shù)計(jì)算地基荷載。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的基本要求和一般步驟風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的基本要求在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》當(dāng)中有相關(guān)的規(guī)定，基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行承載力變形以及穩(wěn)定性的驗(yàn)算和設(shè)計(jì)。這些要求使得在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中需要保證基礎(chǔ)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還要避免在荷載的作用之下，地基產(chǎn)生過(guò)大的傾斜和變形。保障技術(shù)在荷載作用下有足夠的強(qiáng)度，避免在荷載的作用下，地基出現(xiàn)破壞和開(kāi)裂的現(xiàn)象。再有就是需要保證基礎(chǔ)在動(dòng)荷載作用之下不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的震動(dòng)，尤其是對(duì)于風(fēng)機(jī)地基基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，其本身振動(dòng)就比較大，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，并且采取有效的減震措施，以免影響到設(shè)備的正常運(yùn)行以及鄰近設(shè)備的正常使用。基礎(chǔ)形式選擇國(guó)內(nèi)陸上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用較多的是重力式基礎(chǔ)（擴(kuò)展基礎(chǔ)）和樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)。當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況較好，基底所在土層能滿足或通過(guò)地基處理能滿足承載力、沉降要求時(shí)可選用擴(kuò)展基礎(chǔ)。擴(kuò)展基礎(chǔ)的形式多樣，應(yīng)用較廣的是圓形及圓形肋梁基礎(chǔ)、方形、八角形。由于陸上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)承受巨大的彎矩荷載，豎向和水平荷載相對(duì)較小，與其他結(jié)構(gòu)擴(kuò)展基礎(chǔ)受力特性存在較大差異，擴(kuò)展基礎(chǔ)的基底反力分布對(duì)基礎(chǔ)的受力特性影響較大。當(dāng)基底基底所在土層不能滿足或通過(guò)地基處理不能滿足承載力、沉降要求時(shí)，需采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)按成樁工藝常見(jiàn)的樁型有干作業(yè)鉆孔灌注樁、泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁、PHC預(yù)應(yīng)力管樁等常見(jiàn)樁型，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目具體地勘土質(zhì)情況進(jìn)行綜合比較，選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)形式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)因素主要因素要求可分為以下幾類(lèi)：（1）基礎(chǔ)特征。它涉及地質(zhì)勘探中巖土的分類(lèi)和相應(yīng)的巖土工程特性指標(biāo)（2）荷載、荷載條件和荷載效應(yīng)的組合系數(shù)和分項(xiàng)系數(shù)（3）計(jì)算內(nèi)容和方法。如：地基承載力和壓縮性能計(jì)算、地基變形計(jì)算等，保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的穩(wěn)定性計(jì)算。4）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。這一方面包括基礎(chǔ)的擴(kuò)展、樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、錨桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、基本結(jié)構(gòu)的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)等。5）地基處理的類(lèi)型和方法。例如，土石復(fù)合地基、壓實(shí)填土地基、軟土地基和巖石地基等的處理。6）試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)。這也是風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，也是保證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量障礙。只有明確的試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)要求和標(biāo)準(zhǔn)，才能進(jìn)一步完善風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作。風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)3.1擴(kuò)展基礎(chǔ)底板彎矩和配筋計(jì)算設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定擴(kuò)展基礎(chǔ)底板的配筋應(yīng)按抗彎計(jì)算確定,用于配筋的彎矩值可按承受均布荷載的懸臂構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算,彎矩計(jì)算位置宜選擇在基礎(chǔ)變截面處（即基礎(chǔ)臺(tái)柱邊緣處）。對(duì)于基礎(chǔ)底板底面,基礎(chǔ)變截面處單位弧長(zhǎng)的彎矩設(shè)計(jì)值可根據(jù)基礎(chǔ)底面近似均布地基凈反力（均布荷載）計(jì)算,近似均布地基凈反力應(yīng)取基礎(chǔ)外懸挑2/3處的最大壓力。對(duì)于基礎(chǔ)底板頂面,基礎(chǔ)變截面處單位弧長(zhǎng)的彎矩設(shè)計(jì)值可根據(jù)基礎(chǔ)頂面近似均布荷載計(jì)算,近似均布荷載應(yīng)取外懸挑邊緣處的最大壓力。圓形基礎(chǔ)底板宜采用徑向和環(huán)向配筋,單位弧長(zhǎng)徑向配筋彎矩和環(huán)向配筋彎矩,可分別取荷載效應(yīng)基本組合下基礎(chǔ)底板單位弧長(zhǎng)彎矩設(shè)計(jì)值的2/3和1/3。配筋計(jì)算應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。對(duì)于圓形基礎(chǔ)底板底面近似均布地基凈反力的確定:設(shè)計(jì)規(guī)定采用基礎(chǔ)外懸挑邊緣處的最大壓力;而GB50051-2013《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB50135-2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》則均采用基礎(chǔ)外懸挑中點(diǎn)處的最大壓力,考慮到風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的外懸挑長(zhǎng)度較長(zhǎng),取中點(diǎn)處的最大壓力偏小,取邊緣處的最大壓力又過(guò)于保守,經(jīng)試算,取基礎(chǔ)外懸挑2/3處的最大壓力,與《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》的精確計(jì)算方法相比,誤差在4%~6%。因此設(shè)計(jì)規(guī)范采用基礎(chǔ)外懸挑2/3處的最大壓力是合適的。巖石預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)規(guī)范將設(shè)計(jì)規(guī)定中的“巖石錨桿基礎(chǔ)”修改為“巖石預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)”,這是因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)具有承受360毅方向重復(fù)荷載和大偏心受力的特殊性,對(duì)地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求高。為了確保風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的安全可靠性,設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定在較完整的巖石地基上應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力錨桿與基巖連成整體。設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了巖石預(yù)應(yīng)力錨桿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析內(nèi)容,包括基礎(chǔ)臺(tái)柱邊緣、基礎(chǔ)環(huán)與基礎(chǔ)交接處受沖切承載力驗(yàn)算、基礎(chǔ)底板抗彎計(jì)算、斜截面受剪承載力驗(yàn)算、錨桿預(yù)拉力計(jì)算、錨桿桿體抗拉承載力計(jì)算、錨桿錨固段注漿體與筋體、注漿體與巖體的抗拔承載力計(jì)算。特別是對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿的選擇、錨固段的長(zhǎng)度和基巖的抗剪強(qiáng)度給出了詳細(xì)的計(jì)算分析方法。預(yù)應(yīng)力筒型基礎(chǔ)計(jì)算設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了預(yù)應(yīng)力筒型基礎(chǔ)的計(jì)算分析內(nèi)容,包括地基承載力驗(yàn)算和變形驗(yàn)算、錨栓預(yù)拉力計(jì)算、混凝土筒體內(nèi)力計(jì)算、錨板強(qiáng)度及其周?chē)炷辆植砍袎候?yàn)算。特別是對(duì)地基承載力特征值、基底壓力和基礎(chǔ)側(cè)面橫向壓力、基礎(chǔ)頂面水平變形和基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角、混凝土筒體強(qiáng)度、上錨板附近混凝土的局部壓力給出了詳細(xì)的計(jì)算分析方法。梳理基礎(chǔ)設(shè)計(jì)系數(shù)之間的關(guān)系梳理了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)、設(shè)計(jì)狀況、荷載效應(yīng)組合、計(jì)算內(nèi)容、荷載工況、主要荷載及分項(xiàng)系數(shù)之間的關(guān)系。為了幫助設(shè)計(jì)人員厘清相關(guān)概念,根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50153-2008《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、GB50068-2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定,設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)、設(shè)計(jì)狀況、荷載效應(yīng)組合、計(jì)算內(nèi)容、荷載工況、主要荷載及分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了梳理,并以表格的形式列出了它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。極限狀態(tài)分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài),設(shè)計(jì)狀況分為持久設(shè)計(jì)狀況和偶然設(shè)計(jì)狀況,荷載效應(yīng)組合分為基本組合、偶然組合和標(biāo)準(zhǔn)組合,荷載工況分為正常運(yùn)行、極端荷載、疲勞、多遇地震和罕遇地震工況,主要荷載分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載,荷載分項(xiàng)系數(shù)包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、荷載效應(yīng)組合下的分項(xiàng)系數(shù)、地震作用分項(xiàng)系數(shù)等。連接件復(fù)核計(jì)算目前,陸上風(fēng)電機(jī)組塔筒與基礎(chǔ)的連接件有基礎(chǔ)環(huán)和錨籠環(huán)2種型式,設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的埋深、基礎(chǔ)環(huán)底法蘭的寬厚比和寬度等構(gòu)造給出了具體要求,并提出了需要對(duì)基礎(chǔ)環(huán)下法蘭處混凝土的抗沖切、局部抗壓和疲勞采用有限元等方法進(jìn)行復(fù)核。設(shè)計(jì)規(guī)范還提出了應(yīng)對(duì)錨籠環(huán)的錨栓受拉承載力、錨板強(qiáng)度、上錨板下混凝土局部受壓、下錨板向上沖切等進(jìn)行復(fù)核。結(jié)論可以看出，在設(shè)計(jì)階段，不僅需要對(duì)實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)堪查和土樣分析，還需要對(duì)相應(yīng)的方法和處理方法進(jìn)行選擇和驗(yàn)算