浅谈预应力锚栓风机基础的结构设计

沈永强

【摘 要】近年来，预应力锚栓系统越来越多的应用在陆上风电的风机基础中；相较于传统的基础环，预应力锚栓的受力机理方面完全不同。本文通过对传统基础环及预应力锚栓系统的受力分析，并结合两者分别与风机基础之间的力学分析，进而对两者从技术角度形成对比，从而为风电同行对风机塔筒与风机基础的连接方式的选择提供参考。

【关键词】传统基础环 预应力锚栓 风机基础

1 概述

风机塔筒与风机基础的连接方式很长一段时间在我国都是采用传统的基础环连接，近几年出现预应力锚栓连接。针对基础环基础刚度、强度突变以及耐久性问题，用预应力锚栓来连接塔筒和风机基础，其受力方式与基础环连接的受力方式完全不同，避免了基础环连接在风机运行中风机基础可能出现的不利情况。

2 预应力锚栓基础的力学分析

对于采用传统基础环连接方式的风机基础，基础环埋入混凝土中的部分是一个刚性结构，而露出部分以及整个塔筒又是一个柔性体，在基础环和混凝土基础最上面的交线，就形成了一个应力集中部位，如果基础环在这个部位材料有缺陷或承受的应力过大，就很容易在这个部位造成疲劳破坏。在实际运行的风电场中，有部分风电场的风机基础已经出现了基础环两侧混凝土出现疲劳破环，基础环与两侧混凝土直接出现肉眼可见的脱开缝隙，在风机运行时基础环有明显的晃动，直接影响风机设备的安全。如下图1。

预应力锚栓的出现，则完全避免了风机基础出现以上问题的可能。为什么预应力锚栓可以避免这一问题呢？下面就从预应力锚栓基础的受力分析来解答这个问题。

由上图2可以看出，预应力锚栓替代了基础环，而风机基础的形式仍为普通的基础形式。预应力锚栓基础形式并不是将锚栓和混凝土浇筑在一起，它是由上锚板、下锚板、锚栓、PVC 护管等组成，在上锚板和下锚板之间用PVC护管将锚栓与混凝土隔离，而且要密封，浇筑过程中水不能进入到护管内，以免对锚栓造成腐蚀。当锚栓受到拉力时，锚栓的下锚板以上部分会均匀受力，整个锚栓是一个弹性体，没有弹性部分和刚性部分的界面，从而避免了应力集中。由于对锚栓施加预应力，混凝土基础始终处于受压状态，因此采用预应力锚栓的风机基础就不会出现基础环两侧混凝土出现应力集中而产生破坏的情况。

采用预应力锚栓连接塔筒和基础有以下优点如图3。

（1）锚栓贯穿基础整个高度并通过下锚板将锚栓锚固在基础底板，结构连续、无刚度和强度突变；

（2）钢筋和锚栓交叉架设，互不影响，施工便利，基础整体性好；

（3）采用液压双缸高强螺栓张拉器对锚栓施加准确的预拉力，使上、下锚板对钢筋混凝土施加压力，基础受弯作用时，迎风侧混凝土压应力有所释放但始终处于受压状态，混凝土不产生裂缝，其耐久性得到提高；

（4）基础柱墩中竖向钢筋几乎不受力，仅需按构造配置预应力钢筋混凝土中的非预应力钢筋，基础更为经济；

（5）锚栓组合件生产供应周期短，可大大降低业主的建设周期，加快投资回报。

3 预应力锚栓基础的结构计算

以某风电场单机容量2.0MW的预应力锚栓基础为例，对预应力锚栓基础进行结构设计。

3.1 风机荷载（表1）

3.2 设计参数

混凝土材料的计算参数：混凝土强度等级为C40，混凝土抗冻等级为F150，裂缝控制等级为三级；钢筋为HRB400三级钢。

基础混凝土保护层厚度为：基础底面钢筋保护层80mm，顶面及侧面保护层厚度均为50mm。

预应力锚栓采用8.8级M42高强螺栓，分两圈沿圆周均匀布置，每圈布置80根，一共160根。单根锚栓预张力为502KN。

基础采用天然地基，基础持力层强风化或中风化砂岩，承载力特征值≥220Kpa。

工程所在地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。

3.3 预应力锚栓作用力计算

由于风机荷载中弯矩值较大，对于锚栓及风机基础来说所受荷载为偏心荷载，由故上部风机传递至每个锚栓上的作用力是不同的，我们需要计算出所有锚栓中作用力最大的一个，用来验算锚栓的预张力是否满足要求。

预应力锚栓作用力计算可采用上面的公式，但由于是校核锚栓强度，公式里的荷载标准值均采用设计值（极端工况），Fk取风机荷载竖向力设计值即1.2Fz=3665.8KN，Gk取0KN，Mxk取风机荷载弯矩值1.5Mxy=91177.5KN.m，锚栓数量为160即n=160，yi根据锚栓布置半径计算确定。

3.4 预应力锚栓基础的其他结构设计

3.4.1 基础形式的选择

在风机基础设计时，采用基础环的风机基础上部圆柱受到基础环的压力、剪力、弯矩及局部抗压，受力很复杂，需考虑几种荷载的共同作用，所以圆柱外部及内部的钢筋配置较多且较复杂；而预应力锚栓基础的上部圆柱只受压，钢筋只需进行构造配置即可。

整板式基础与梁板式相比钢筋用量较小，锚栓间距较大，基础钢筋穿插、绑扎方便。基础模板为上、下两个环形模板，支模、拆模工作量小，且较方便。基础底板坡度较小，混凝土浇注较方便，但混凝土量较大，浇注时间较长。

虽然梁板式基础较整板式基础混凝土方量小，但钢筋绑扎及混凝土模版相对复杂，且对施工质量要求较高。故在实际工程应用时，笔者推荐采用整板式基础。

3.4.2 上锚板下部灌浆结构设计

由于预应力锚栓在施加预应力后，锚栓的预拉力是通过上锚板及下锚板传递至风机基础上，而锚栓的后张拉工作是在锚栓的上端进行的，且基础上部直接暴露在外部，所以上锚板下部基础混凝土的抗压强度尤其重要。一般会在上锚板下部开槽灌浆或直接在基础顶面进行灌浆，厚度约80mm，见图5。

4 结语

预应力锚栓的施工较传统基础环稍复杂，但预应力锚栓解决了传统基础环的天然缺陷，混凝土基础始终处于受压状态，因此采用预应力锚栓的风机基础就不会出现基础环两侧混凝土出现应力集中而产生破坏的情况。在风机基础设计时，采用基础环的风机基础上部圆柱外部及内部的钢筋配置较多且较复杂；而预应力锚栓基础的上部圆柱钢筋只需进行构造配置即可。综上，预应力锚栓基础将得到越来越广泛的应用。

参考文献：

[1]FD003-2007《风电机组地基基础设计规定》（试行）[S] 北京：中国水利水电出版社.

[2]JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》[S]北京：中国建筑工业出版社.

[3]GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[S]北京：中国建筑工业出版社.