风机基础结构设计与计算

张 宁 郭春雷 孙建勋

1 风机基础简介

风电是一种清洁、绿色可再生能源，作为新兴能源，近几年在我国得到迅猛发展，是新能源领域中技术开发最为成熟的发电方式。

风电机组基础作为风力机组的固定端，与塔筒一起将风机树立在60～100 m高空，是保证风机正常发电的组成部分。与一般高耸结构不同，由于风力发电机组轮毂高度大，顶部质量大，对倾斜度要求严格，并且在极端风速情况下承受较大的水平荷载，从而使风机基础具有承受360°方向重复荷载和大偏心受力的特点，因此，对地基基础的稳定性要求较高。风电机组地基基础设计应贯彻国家技术经济政策，坚持因地制宜、保护环境和节约资源的原则，充分考虑结构的受力特点，做到安全适用、经济合理、技术先进。

风力发电机组基础设计及计算通常包括以下5个方面：基础几何尺寸的拟定、混凝土质量、基地应力计算、抗滑抗倾稳定计算、设计配筋、抗冲切强度校核。基础设计一般采用极限状态设计方法，荷载和有关分项系数的取值应符合相关规定，以保证在规定的外部条件、设计工况和荷载条件下，使风力发电机组基础在设计使用年限50年内安全、正常工作。

2 风机基础形式

风机基础分为陆上风机的基础及海上风机基础，陆上风机基础形式主要包括重力式基础、梁桩基础、板式基础及箱变风机复合式基础等；海上风机基础形式主要包括重力式基础、桩基础、角架基础、浮动式箱基础及吸力式沉箱基础。

贵州竹山风电场为山地风电场，采用扩展式重力基础，结合该项目的设计，探讨风力发电机基础的设计要点及方法。

3 风机基础计算

风机基础设计计算流程如图1。

图1 风机基础设计流程图

3.1 风机基本资料

贵州竹山风电场工程总装机容量50 MW，该风电场选用的风机为XE105D-2000型风机，轮毂高度80m。基础垫层混凝土的设计强度等级为C15，基础主体混凝土强度等级为C40。风机基础所处山脊表层为残积土组成的覆盖层，覆盖层厚度一般0.20～1.00 m，下部基岩以凝灰质板岩、变余凝灰岩为主。由于风机基础所处地质条件良好，均作用于强风化下部或弱风化凝灰质板岩或变余凝灰岩上，地基承载力均不小于600 kPa，本地区地震基本烈度为6度，设计基本地震加速度0.05g。因此风机基础采用扩展混凝土基础形式。

由厂家提供的风机基础荷载见表1、2。

表1 极限荷载（包含安全系数）

表2 正常运行荷载（包含安全系数）

表中数据不仅包含载荷工况外部条件的影响，还包括了：空气动力、自重、旋转惯量和动态惯量的作用。动态响应包括塔架、叶片、驱动链、电气和控制系统模态的相互响应。

3.2 风机基础尺寸拟定

钢筋混凝土扩展基础是目前陆地风电场最为常见的风机基础型式。一般通过基础环或地锚笼将上部荷载传至基础。基础底面形状一般有正方形、多边形以及圆形。由于，风向的不确定性，风机基础承受的荷载方向也不固定，且经常处于大偏心受压状态，因此对基础稳定性的要求较高。根据这一特点，风机基础一般按大块体结构设计，基础的底面宜设计成轴对称形，如正多边形或圆形，充分发挥材料的强度，节省工程投资。本工程基础底面形状选用圆形。

重力式扩展基础的底宽或直径宜控制在轮毂高度的1/5～1/3范围内（例如，80 m，控制在16～26.7 m范围），基础高度宜控制在轮毂高度的1/30～1/20范围内（例如，80 m，控制在2.7～4.0 m范围内），基础边缘高度宜为底宽或直径的1/20～1/15，且应不小于1.0 m。根据风机基础设计规范的要求，基础下部宜设置垫层，软弱地基上的垫层混凝土厚度宜大于200 mm。

根据经验取值范围，本工程基础尺寸拟定：采用圆形扩大基础，直径18.5 m，基础边缘高度为1 m，总基础高度取3.2 m，垫层厚度取0.2 m。

3.3 荷载工况及分项系数取值

地基基础设计的荷载应根据极端荷载工况、正常运行荷载工况、多遇地震工况、罕遇地震工况和疲劳强度验算工况等进行设计。

根据GB 18451.1—2001《风力发电机组安全要求》第7.6.1.1条款的规定，空气动力学荷载应计入荷载安全系数，这是因为空气动力学“荷载的实际值不容易估计出”并且考虑“荷载实际值出现不理想偏差的可能性和荷载模型的误差”等因素而引入的。风机制造厂要求在最大运行工况计入安全系数1.0，极限荷载工况计入系数1.50。

结合风机制造厂要求的荷载安全系数，根据国标GB 18451.1—2001《风力发电机组安全要求》的有关规定，本工程空气动力学荷载在最大运行工况计入安全系数1.0，极限荷载工况计入系数1.50。

根据FD003—2007《风电机组地基基础设计规定》的规定，荷载修正安全系数K0=1.35（此系数是考虑了风电机组主要荷载——风荷载的随机性较大，且不易模拟，在与地基承载力、基础稳定性有关的计算中，上部结构传至塔筒底部与基础环交界面的荷载而设定的）。

荷载分项系数取值如下：

基础自重、土体自重的荷载分项系数：1.2/1.0。风荷载和其它活荷载分项系数：1.5/1.0。在计算结构强度时计入上述荷载系数。

3.4 基底应力及允许脱开面积

3.4.1 正常运行工况与多遇地震工况

正常运行工况乘以荷载修整安全系数1.35+多遇地震的标准组合应满足基础不脱开状态：

满足基底应力及不允许脱开要求。

3.4.2 极端荷载工况

极端荷载工况应满足基底脱开面积小于25%的要求：

满足基底应力及基底脱开面积指标要求。

3.5 抗滑、抗倾计算

正常运行工况+罕遇地震的偶然组合应分别满足抗滑、抗倾稳定计算。

抗滑稳定计算：

抗倾稳定计算：

满足抗倾稳定要求。

3.6 风机基础配筋计算及抗冲切验算

对图2所示1、2截面分别进行配筋计算及裂缝宽度的验算。

图2 配筋计算截面位置

对图3所示3、4截面分别进行抗冲切验算。

图3 抗冲切计算截面位置

基础台柱钢筋和基础底板顶面钢筋的计算应符合GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的规定。其中，单侧纵向钢筋的最小配筋率不应小于0.20%，且每米宽度内的钢筋截面面积不得小于2 500 mm2。

4 风机基础设计及施工中的注意事项

（1）满足规范强条要求，如：正常运行工况与多遇地震工况不允许脱开；极端工况脱开面积不超过25%；正常运行工况最大裂缝宽度不得超过0.2 mm，极端工况最大裂缝宽度不得超过0.3 mm；基础边缘高度宜为底宽或直径的1/20～1/15，且不应小于1 m等。

（2）承载力较低的土质地基，基础变形应验算沉降值和倾斜率，计算值应满足规范的要求。《风电机组地基基础设计规定》，规定基础的最大倾斜率为0.006～0.003，对应的轮毂高度为60～100 m。

（3）基础配筋应优先选用大直径的钢筋，这样钢筋总数少，利于振捣棒振捣和混凝土浇筑。基础配筋还应注意基础环里外都要配成环筋，形成环梁。

（4）基础混凝土强度等级不应低于C25，宜采用标号不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。混凝土中应掺入引气剂和减水剂，并且要求外加剂对混凝土性能无不良影响、减水剂氯离子含量不大于水泥质量的0.02%。外加剂掺量应通过配合比试验确定。

（5）浇筑混凝土时，应注意防止混凝土的分层离析，混凝土自由倾落高度不应超高，否则，应采用串筒、斜槽、溜管等下料。混凝土下料点距浇筑面不得超过1.5 m，下料混凝土应充分振捣。单个风电机组基础浇筑时不少于4个振捣器同时振捣，振捣间距无钢筋处采用60 cm，有钢筋处采用40 cm，振捣器必须插入下层混凝土10 cm以上。严禁振捣器仅在混凝土表面振捣，振捣器不得作为摊平混凝土层面的辅助工具。严禁振捣器直接碰撞模板、钢筋及预埋件。在预埋件周围及基础环底部，应细心振捣以排除气体，必要时辅以人工捣固密实。浇筑过程中应随即（干燥或初凝前）清理落在上层钢筋上的混凝土料渣，以免污染钢筋。钢筋网进人孔位置及尺寸大小根据现场施工实际情况确定，使用结束后应及时绑扎搭接封闭。在浇筑过程中，应控制混凝土的均匀性和密实性，不应出现露筋、空洞、冷缝、夹渣、松顶等现象，特别对构件棱角处，应采取有效措施，使接缝严密，防止在混凝土振捣过程中出现漏浆。单个风机基础应确保连续浇筑，在14～18 h内一次性浇筑完成，不留施工缝。

5 结语

风力发电具有既能保证能源的有序利用，又能战胜全球气候变化，更有利于全球的环境资源保护的优点，作为新能源重要发展方向之一，近几年在我国得到大力推广，给国家带来可观的经济和社会效益。明确风机基础在设计过程中的受力情况，对基础结构进行全面的力学性能分析，优化设计方案，是降低风机基础造价的关键，具有重要的理论意义和工程价值。