風機基礎形式方案比較.doc

風機基礎設計計算方法及其方案比較近年來，人們由于對能源產生了愈演愈烈的危機意識，對新能源的開發(fā)利用也就顯得愈加迫切，太陽能，風能，潮汐能等眾多新能源的研究開發(fā)工作都在如火如荼的進行中。風能是一種新型清潔能源，可再生，無污染，而且儲量豐富，分布范圍廣泛。就我國來說，風能主要分布在華北，東北，西北以及沿海及其島嶼地帶，而現(xiàn)有的風力發(fā)電場分布區(qū)域也是與風力資源分布基本吻合的。2009年，從風電裝機容量分布來看，內蒙古裝機累計容量920萬千瓦，河北省278萬千瓦，遼寧省242千瓦，吉林省201千瓦，當年全國實現(xiàn)新增裝機容量1380.3萬千瓦，而2010年新增容量更是達到了1650萬千瓦，一躍成為新增風電裝機總容量第一的國家，是日本的75倍，美國的兩倍，可見我國在風力發(fā)電行業(yè)投入了相當大的人力，物力和財力，但數(shù)據(jù)顯示，截至2008年底，我國風力發(fā)電在能源結構中所占的比例不足2，所以，風力發(fā)電行業(yè)還有很大的上升空間。但行業(yè)的迅速發(fā)展也帶來了諸多問題，比如風機的荷載參數(shù)是通用型的數(shù)據(jù)，并不一定適應特定的風場，風力發(fā)電塔的設計也沒有專門的規(guī)范和標準，暫時參考高聳結構設計規(guī)范，同時，風機基礎的規(guī)范也僅有試行規(guī)定，即FD003-2007風電機組地基基礎設計規(guī)定（以下簡稱規(guī)定）是參照相關建筑和電力系統(tǒng)的規(guī)范和標準而建立的，很多內容僅僅只是簡單的將原有的建筑或電力規(guī)范原封不動的搬過來，而對基礎受大偏心受力，疲勞荷載以及震動影響的計算方法并沒有做深入的研究，比如基礎在風振或地震作用下的動態(tài)剛度問題，基礎形式的科學選擇問題等，在試行規(guī)定中均未做詳細介紹，而且對于規(guī)定中所提供的三種主要基礎類型（天然地基基礎，復合型地基基礎，樁基礎）是否合理也沒有做解釋。這些問題的存在，給風力發(fā)電機組及塔架基礎的安全埋下了隱患。雖然風機基礎的投資費用只占整個風機投資的1.7左右，但基礎安全的重要性是和上部結構同等重要的，不可掉以輕心。2006年，在桑美臺風中，某風電場28臺機組全部受損，其中有有11臺風機葉片被吹斷，兩臺風機連基礎被拔出。2008年，某風電場一臺風機在正常運行時突然倒塌，基礎被連根拔起，這兩個風電場采用的基礎形式是天然地基上的擴展基礎，被連根拔起的基礎在設計方面肯定存在一些問題，這與風機基礎設計沒有一套成熟的規(guī)范作為依據(jù)有很大的關系，所以，我們在加快行業(yè)發(fā)展的同時，也要加快相關規(guī)范和標準的制定，否則將會帶來巨大的經濟損失和安全隱患。本文將對天然地基上的擴展基礎的底面形狀及其計算方法做簡單的討論。風電機組基礎承受360度方向的大偏心震動隨機荷載，按照對稱的原則，基礎底面形式選為圓形最為合理，但實際情況是，雖然按理論風電機組會受任意方向的風荷載，但對于某個地區(qū)來說，在一年中僅有幾個盛行風向，簡單的將基礎底面選為圓形并不一定經濟合理，沒有數(shù)據(jù)作為其理論支撐。而規(guī)定中提供的擴展基礎底面為矩形，完全是從建筑地基基礎設計規(guī)范中搬過來的，沒有考慮風振影響，和一般的民用建筑基礎的設計計算是有區(qū)別的，所以它的合理性也有待商榷。某風電工程單機裝機容量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，基礎及上覆土加權重度取=20kN/m,基礎混凝土采用C30標準，荷載參數(shù)如下表所示，討論該工程的基礎設計方案。各工況下傳至基礎頂部的荷載標準值工況名稱Fxk(kN)Fyk(kN)Fzk(kN)Mxk(kNm)Myk(kNm)Mzk(kNm)正常運行荷載工況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修正后的荷載標準值工況Fxk(kN)Fyk(kN)Fzk(kN)Mxk(kNm)Myk(kNm)Mzk(kNm)正常運行荷載315.502720200710237.2極端荷載7590212944489101196.11.1 方形基礎FD003-2007風電機組地基基礎設計規(guī)定中推薦了底面形狀為矩形的擴展基礎，根據(jù)風機隨機荷載的對稱性，可取為一階正方形擴展基礎，按地基承載力特征值來確定基礎的地面積。在建筑地基基礎設計規(guī)范中，軸心受力或者偏心受力的基礎底面面積的確定可由下面公式計算得到，并根據(jù)偏心距的大小相應增加10%50% (1)其中基礎底面平均壓力荷載效應標準組合下，上部結構傳至擴展基礎頂面的豎向力修正標準值，=，=1.35荷載效應標準組合下，擴展基礎自重和擴展基礎上覆土自重標準值, =，為擴展基礎底面積為基礎埋深修正后的地基承載力特征值經變換后可得 （2）FD003-2007風電機組地基基礎設計規(guī)定（試行）規(guī)定基礎的埋深d應控制在結構高度的1/151/8之間，本例可初步取為6m，基礎高度h應控制在輪轂高度的1/301/20之間，可取為3m，采用正常運行工況下的荷載標準值進行計算得A24.7m可初步取A=25 m，則基礎底邊長為=5m，又FD003-2007風電機組地基基礎設計規(guī)定（試行）中規(guī)定基礎底面直徑或者邊長應控制在輪轂高度的1/51/3,可取邊長為=16m，則A=256 m，由此可見，按構造要求所取的基礎底面積可完全滿足式（1）的要求，所以根據(jù)軸心受力確定風機基礎底面積并根據(jù)偏心距相應增大底面積的方法是不實際的，由于基礎承受偏心受力，偏心距為 （3）荷載效應標準組合下，上部結構傳至擴展基礎頂面的力矩合力的修正標準值荷載效應標準組合下，上部結構傳至基礎頂面水平力修正標準值基礎高度按正常運行工況計算，當A=25 m時，=3.67m/6，顯然，合力作用點已經不在基礎范圍之內，基礎呈大偏心受力狀態(tài)，驗算此時的地基反力 （4）合力作用點至基底最大壓力邊緣距離本例方形基礎=得0，說明此時基礎已經傾覆。由此進一步說明按軸心受力確定基礎底面積并根據(jù)偏心距適當增加的方法是不可取的。高聳結構設計規(guī)范和規(guī)定中指出基礎的設計要求基礎底面在正常運行工況下不得脫離地基，在極限荷載工況下基礎脫離地基的面積要控制在25%之內。根據(jù)這一原則，驗算當A=256 m時是否滿足設計要求 1.2 （5） 0 （6）荷載效應標準組合下，上部結構傳至擴展基礎底面的力矩合力的修正標準值（說明：規(guī)定中此處指上部結構傳至基礎頂面的力矩，這樣顯然是不合理的。此處作出修正。）基礎底面截面抵抗矩，對矩形為，圓形為此時在正常運行工況下=160kpa =101kpa在極限荷載工況下=194kpa =62kpa則有， 1.2完全滿足設計要求。但是上述按構造要求得到的基礎尺寸過于保守，沒有充分利用材料，例如在極限荷載工況下是允許基礎脫開地基的，只要脫開面積控制在基礎底面積的25%之內即可。換另一種設計思路，直接從正常運行時，0以及極限荷載工況下入手，首先根據(jù)構造條件確定基礎埋深為6m，高3m，設基礎底面邊長為，然后利用式（5），（6）得1.2 （7）0 （8）代入正常運行荷載數(shù)據(jù)并利用數(shù)值分析的方法解得11.105m，構造要求基礎底面邊長須在11m21.6m之間，故可取=11.500m，此時驗算極限荷載，其偏心距為=2.62m/6=1.917m，需按式（4）計算，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作為設計控制條件重新確定基礎底面尺寸。1.2其中 =代入極限荷載數(shù)據(jù)解得12.600m，可取=13m，此時極限荷載下=2.105m/6=2.167m，故需按式（7），（8）驗算極限荷載下地基承載力，經計算得=255kpa =10kpa完全滿足設計要求。由此可見，本例基礎的底面尺寸是由極限荷載控制的，這意味著在某些風電基礎的設計中可以直接采用極限荷載作為設計控制條件，結合構造要求得出最終結果，而不需驗證正常荷載工況下的地基承載力，因為此時正常運行荷載下的地基承載力必然滿足要求。筆者發(fā)現(xiàn)，雖然上述最終設計結果符合要求，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）知這和基礎的埋深是有關系的。為了經濟起見，結合構造要求，可以將埋深修改為4.5m，驗算極限荷載下的地基承載力，此時=2.720m/6=2.167m，=3.78m，需按式（4）計算得=235kpa1.2=276kpa基礎脫開地基面積所占比例為=0.12770.25符合設計要求。驗算正常運行荷載工況下的地基承載力，此時=1.172m/6=2.167m，按式（5），（6）計算得=163.5kpa，=48.7kpa符合設計要求。至此，本工程基礎底面尺寸的優(yōu)化設計已經完成，可節(jié)省混凝土261m，土方量775.5 m。附里正模型計算如下：1.1 已知條件： 類型：階梯形 柱數(shù)：單柱 階數(shù)：1 基礎尺寸(單位mm): b1=13000, b11=6500, a1=13000, a11=6500, h1=3000 柱:圓柱, 直徑=4000mm 設計值：N=4080.00kN, Mx=30107.70kN.m, Vx=472.50kN, My=0.00kN.m, Vy=0.00kN 標準值：Nk=2720.00kN, Mxk=20071.80kN.m, Vxk=315.00kN, Myk=0.00kN.m, Vyk=0.00kN 混凝土強度等級：C30, fc=14.30N/mm2 鋼筋級別：HRB335, fy=300N/mm2 基礎混凝土保護層厚度：40mm 基礎與覆土的平均容重：20.00kN/m3 修正后的地基承載力特征值：230kPa 基礎埋深：4.50m 作用力位置標高：-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計算要求： (1)基礎抗彎計算 (2)基礎抗沖切驗算 (3)地基承載力驗算 單位說明： 力：kN, 力矩：kN.m, 應力：kPa2 計算過程和計算結果2.1 基底反力計算：2.1.1 統(tǒng)計到基底的荷載 標準值:Nk = 2720.00, Mkx = 20071.80, Mky = 945.00 設計值:N = 4080.00, Mx = 30107.70, My = 1417.502.1.2 承載力驗算時,底板總反力標準值(kPa): 相應于荷載效應標準組合 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 各角點反力 p1=158.33 kPa, p2=163.49 kPa, p3=53.86 kPa, p4=48.70 kPa2.1.3 強度計算時,底板凈反力設計值(kPa): 相應于荷載效應基本組合 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彎矩,程序未計算板頂負筋,需用戶自行處理!2.2 地基承載力驗算: pk=106.09 fa=230.00kPa, 滿足 pkmax=163.49 1.2*fa=276.00kPa, 滿足2.3 基礎抗沖切驗算: 抗沖切驗算公式 Fl= As=1242mm2/m Y向實配 D16160(1257mm2/m) = As=1242mm2/m2.圓形基礎實際工程中基礎底面形狀多為圓形，這是考慮風機荷載為360度隨機荷載所產生的設計結果，但它的承載能力和經濟性未必比方形基礎好，筆者在此做簡單的討論。接上例，取圓形基礎的高度仍為3m，埋深4.5m，按相同的混凝土用量來計算圓形基礎的底面直徑，并將其承載能力與方形基礎比較。求得底面直徑為d=14.67m，極限荷載下=2.720m/6=2.445m，查高聳結構設計規(guī)范圓（環(huán)）形基礎在核心區(qū)外受偏心荷載時按下式計算相應于荷載效應標準組合下上部結構傳至基的豎向力值