塔筒采用预应力锚栓连接的风电机组基础局压验算方法及案例分析

塔筒采用预应力锚栓连接的风电机组基础局压验算方法及案例分析

梁建聪、章雨豪、邵庆梧

（中国电建集团城市规划设计研究院有限公司，广东 广州）

摘要：风机塔筒采用预应力锚栓连接基础，锚栓可与基础钢筋交叉锚固，有利于提高基础结构的整体性、安全性，近年来在风电工程中得到广泛应用，优点比较明显。但是，风机基础在极端荷载作用下，预应力锚栓的锚固区基础混凝土将承受较大的压应力，目前风力发电规范暂无相关验算方法。以某风电机组厂家机型为例，根据现有设计规范计算理论，探讨塔筒采用预应力锚栓连接基础的风电机组基础设计要点。

关键词：风电机组基础；基础设计；预应力锚栓；环形截面；局部承压；承载力；验算方法

Design Main Points of Wind Turbine Generator Tower FoundationConnected by Prestressed Anchor Bolts

LIANG Jiancong1

（1.Power China Planning & Design Institute Co.Ltd, Guangzhou,China）

Abstract: Through the prestressed anchors connected to the wind turbine tower and the foundation, anchor bolts can be cross-anchored with the steel to improving the integrity and safety of the structure. In recent years prestressed anchor bolts have been widely used in the wind power farm with comparative advantages. However, under the action of extreme load, the concrete of the foundation in the prestressed anchoring area is bearing higher local pressure and there is no relevant checking method in the current codes for wind power generation . Taking the model of a wind power farm as an example, the design main points of the wind turbine generator tower connected by prestressed anchor bolts is discussed based on the existing standard calculation theory.

Keywords: wind turbine generator foundation; design of foundation; prestressed anchor bolts; ring section; local pressure; bearing capacity; checking method

1 前言

目前，国内风电机组塔筒与基础的连接型式主要有基础环连接和预应力锚栓连接两种型式。基础环式便于风机厂家标准化制作和便于现场施工而得到广泛的应用，随着风机塔筒向超高方向发展，80m，90m，甚至超100m以上，但基础环埋深依然停留在2.3~2.5m之间，埋入基础混凝土的深度较小。同时，基础环为钢材质，通常采用40~60mm厚的钢板制作，表面光滑，与风电机组基础混凝土为两种不同性质的材质，接触面天然存在缝隙。由于基础环为整体件，与基础钢筋也没有交叉及接触，造成采用基础环式的风电机组基础整体性差，耐久性和抗疲劳性能都难以得到保证。如在2006年8月10日的桑美台风中[1]，浙江温州鹤顶山风电场28台机组全部受损，其中2台刚完成吊装的750kW风机在基础环下方截断；2007年1月11日，日本本州岛Higashidori风电场一台风机因基础钢筋拔出而导致风机整体倒塌； 2009年12月27日，纽约Finner风电场一台GE1.5MW风机因基础环下方截断导致风机整体倒塌；山东某风场2010年建成验收发电，2013年发现基础存在大量问题，其中最严重4台风机、塔筒、基础环在基础中晃动严重，另外19台也有不同程度的类似损坏。

随着越来越多风电场工程的建设，项目各方也意识到塔筒采用基础环连接基础的型式存在一定的缺陷，谋求采用其他的连接方式来避免基础环式的缺陷，保证工程安全。因此，采用预应力锚栓式的风电场工程也逐渐增多，预应力锚栓式对比基础环式相当于把基础环进行竖向离散化，以一定数量的锚栓替代连续的基础环，锚栓与锚栓之间设置一定的间距，以利于风机基础钢筋与锚栓交叉锚固，同时锚栓还可根据风机荷载的大小设计一定的长度，以满足塔筒的锚固深度要求。预应力锚栓式连接可以保证基础跟塔筒不产生脱开，整体性好，无薄弱环节，增强了结构的安全性。但是由于施加预应力比较大，单根锚栓张拉力可达到400kN至1000kN，对基础混凝土的局部抗压承载力要求较高等，如在风机基础设计中欠缺考虑，同样会造成风机基础报废和风机、塔筒倒塌等工程事故。 

 本文以某风电场的风机机型为例，对塔筒采用预应力锚栓连接基础的风机基础设计要点进行研究，主要总结风机基础台柱截面的正截面承载力、局部最大压应力、局部受压区的截面尺寸和局部受压承载力的验算方法，并对比分析了无设置上锚板和有设置上锚板两个方案的计算结果，供相关技术人员参考。

2 计算内容

2.1 环形截面偏压构件正截面承载力计算[2]

风机基础台柱截面是基础的薄弱面，应验算环形截面受弯构件的正截面受弯承载力，如图1。

式中   N——轴向力设计值，kN；——受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值；——系数，按文献[2]规定计算；——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，，当大于2/3时，取为0；fc——混凝土轴心抗压强度设计值，按文献[2]采用；——预应力筋抗拉强度设计值，N/mm2；——预应力筋抗压强度设计值，N/mm2；A——台柱环形截面面积，m2；——全部纵向预应力锚栓的截面面积，m2；——预应力筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力筋应力，按文献[2]规定计算，N/mm2；——计算偏心距，，m；——台柱环形截面内半径，m；——台柱环形截面外半径，m；——纵向预应力锚栓重心所在圆周的半径，m。

2.2 局部压应力计算[2] [3] [4]

环形构件承受偏心荷载作用时，构件底面压应力可按下列公式计算。

式中   ——荷载效应基本组合时上锚板底面边缘的最大压应力值，N/mm2；——荷载效应基本组合时上锚板底面边缘的最小压应力值，N/mm2；——荷载效应基本组合时基础锚栓上锚板底面边缘的最大压应力值，N/mm2；——荷载效应基本组合时基础二次灌浆底面边缘的最大压应力值，N/mm2；——机组上部荷载传至基础顶面的竖向力标准值， kN；——全部纵向预应力锚栓的预拉力，kN；——机组上部荷载传至基础顶面的弯矩标准值，kN·m；——锚栓上锚板底面面积，m2；——环形构件的截面抵抗矩，kN·m；——塔筒T形法兰底部的截面宽度，m；——锚栓上锚板的截面宽度，m；——二次灌浆的截面宽度，m。

a）基础平面图(单位：mm) 

b）1-1剖面图(单位：mm) 

图1 某风电场风机圆形扩展基础结构图  1：150

a）方案一（无设置上锚板）              b）方案二（有设置上锚板）

图2 预应力锚铨与基础连接剖面图

2.3 局部受压区的截面尺寸验算[2]

配置间接钢筋的混凝土结构构件，其局部受压区的截面尺寸应符合下列要求。

式中    ——局部受压面上作用的局部压力设计值，kN；——混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；——混凝土强度影响系数，按文献[2]规定取用；——混凝土局部受压时的强度提高系数；——混凝土局部受压面积，m2；——混凝土局部受压净面积，在混凝土局部受压面积中扣除孔道的面积，m2；——局部受的计算底面积，按文献[2]确定，m2。

2.4 局部受压承载力验算[2]

    配置方格网式或螺旋式间接钢筋的局部受压承载力应符合下列规定。

式中    ——配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数；——间接钢筋对混凝土约束的折减系数，按文献[2]规定取用；——间接钢筋的抗拉强度设计值，按文献[2]规定采用，N/mm2；——间接钢筋的体积配筋率，；、——方格网沿、方向的钢筋根数；、——方格网沿、方向的钢筋单根钢筋的截面面积，m2；——方格网式间接钢筋内表面范围内的混凝土核心截面面积，m2；——方格网式间接钢筋的间距，宜取30～80 mm，mm；、——方格网钢筋配置的范围长和宽，m。

2.5 锚栓上锚板尺寸验算[5]

根据《钢结构连接节点设计手册》（第二版）：             

下法兰悬臂端最大弯矩：

受压侧底板厚度应满足:

下法兰板厚度max（T、30.0mm、塔筒中板件较厚值）

式中   Mimax为根据柱脚底板下的混凝土基础反力和底板的支承条件计算得到的最大弯矩，kN·m；——荷载效应基本组合时基础锚栓上锚板底面边缘的最大压应力值，N/mm2； ——塔筒T形法兰底部的截面宽度，m；——锚栓上锚板的截面宽度，m；——二次灌浆的截面宽度，m。

3 工程实例计算

某风电场选用单机用量2.1MW的风机机组，上部结构传至塔筒T形法兰底部的正常运行工况荷载和极端荷载工况荷载见表1。

根据厂家提供的机组资料，塔筒下部T形法兰外直径D1=4828mm，内直径D2=4106mm；锚栓数目n=160，预拉力值pa=400kN/根，锚栓直径d=48mm，上锚板外直径D3=4948mm，内直径D4=3986mm，厚度t1=40mm；高强灌浆外直径D1=5148mm，内直径D2=3786mm，厚度t2=50mm。

表1 风机塔筒底部荷载（不含安全系数）

图3 塔架荷载坐标图

根据表1的荷载参数，选用CFD风力发电工程软件进行风机基础设计[3]。基础形式选用圆形重力式钢筋混凝土扩展基础，基础采用C40混凝土，高强灌浆要求抗压强度为60MPa，基础尺寸详见图1。

根据本文局部承压的计算方法对预应力锚栓作用下的台柱进行验算，计算结果详见表2和表3。

表2风机基础验算结果汇总表

表3两种方案风机基础局部最大压应力对比表

4 结论

1)验算结果表明，本文案例风机基础台柱正截面承载力和局部承压安全储备较大，锚栓底部锚固区混凝土最大压应力验算对基础局部承压设计起决定性作用。

2)风机塔筒与基础采用预应力锚栓连接，极端荷载作用下，基础局部最大压应力约增加80%。基础设计时应根据台柱最大压应力调整高强灌浆的厚度和宽度、锚栓上锚板厚度和宽度、台柱尺寸和混凝土强度等级等。局部最大压应力验算建议适当考虑基础混凝土采用配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数。

3)预应力锚栓基础采用上锚板，基础表面最大压应力减少25%，高强灌浆底部混凝土最大压应力减少32%，有利于压应力扩散，避免超过基础混凝土受压承载力而产生较大裂缝或局部压碎。因此，在风机基础结构设计中，预应力锚栓基础采用上锚板，基础混凝土强度可以适当降低，减少了大体积混凝土水化热，降低工程投资。

参考文献：

[1] 马人乐,孙永良,黄冬平.风力发电塔井格梁板式预应力锚栓基础设计研究[C]//第18届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ册，2009:434-437.

[2] 混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S].

[3] 风电机组地基基础设计规定（试行）：FD 003—2007[S].

[4] 高耸结构设计规范：GB 50135—2006[S].

[5] 李星荣,魏才昂,丁峙崐等.钢结构连接节点设计手册（第二版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

作者简介：梁建聪，男，硕士，工程师，主要从事新能源土建结构设计工作。E-mail：liangjiancong88@126.com