山区风机基础顶面荷载计算及其模型试验缩尺方法

姜大山，晁娈娈

1.潍坊龙文建设投资股份有限公司，山东 潍坊 261100

2.山东北汇建设工程有限公司，山东 菏泽 274000

前人在探讨基础承载性能时，常采用模型试验方法[1-2]，但模型试验很难实现与工程实际比例为1∶1的试验条件，因此试验时常对基础模型进行缩尺。当基础缩尺后，上部风机结构传递到基础的荷载（水平荷载、竖向荷载及弯矩）也应相应缩尺，但其缩尺方法还需探讨。文章依据青岛海西风电场的实测风速数据，分别计算额定风速和切出风速工况下，叶轮叶片、机舱及塔筒所受的风荷载，以及由塔筒传递到基础顶面的水平荷载、竖向荷载及倾覆弯矩。通过弹性力学相似比尺原理，得出模型试验中模型基础顶面对应的缩尺后的荷载，用于指导模型试验。

1 工程概况

青岛海西风电场占地主要为山顶未利用地，场区内设3座测风塔，测得空气密度约为1.186kg/m3；风电场50m、80m高度处50年一遇最大风速分别为29.2m/s、30.4m/s。风机单机容量为2MW，轮毂高度为80m；风机基础采用重力式圆形扩展基础；基础上部风机结构各部件及其质量见表1。

表1 基础上部结构各部件质量

2 计算风荷载

（1）作用于塔筒上的荷载。叶轮叶片所受风荷载通过塔筒的传递对基础产生荷载作用。根据《风电机组地基基础设计规定（试行）》规定：上部风机结构传至塔筒底部与基础交界面的荷载宜用荷载标准值表示。由《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）可知，垂直于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值计算公式如下：

表2 不同工况下的基本风压

为便于计算塔筒的风振系数，将塔筒从上至下分为四段，再由下面的风振系数计算公式得出不同塔筒高度处的风振系数（见表3）。

表3 不同高度处的风振系数

可得式（2）：

式中：g为峰值因子；I10为高度为10m的湍流强度，山地地区I10=0.14；Bz为脉动风载的分量因子；R为脉动风载的共振分量因子。

由此，得到塔筒各段风载值（见表4、表5）。

表4 塔筒各段结构设计

表5 塔筒所受风荷载分布情况

（2）作用于塔筒顶端的荷载。额定风速、切出风速条件下，叶轮叶片的旋转速度不同，产生的荷载亦不同。注意：①额定风速下，风轮和机舱受到的荷载包括气动荷载、偏转力、垂直力、旋转与俯仰弯矩；②切出风速下，风轮和机舱受到的荷载包括气动荷载、垂直力、转矩和偏转弯矩。塔顶荷载的计算结果见表6。

表6 塔顶荷载分布情况

（3）作用于塔底（基础顶面）的荷载。塔筒顶端及塔筒所受荷载传递至塔底即基础顶面，现考虑额定、切出风速两种风况（见表7、表8）。

表7 作用于塔底的荷载

表8 作用于基础顶面的荷载

3 模型试验简化方法

通过模型试验可探讨基础的承载特性，但模型试验很难建立与工程实际比例为1∶1的基础模型，常将基础模型进行缩尺，模型基础的受力也需要进行等效缩尺。由于基础所受竖向荷载变化不大，因此主要探讨水平荷载作用下基础的承载性能。缩尺比例分别为1∶20、1∶50、1∶60，所获得的基础模型受力值见表9。根据弹性力学中各相似常数的关系可得，缩尺比例为1∶20时，水平力、水平弯矩对应的模型荷载相似常数分别为1/400和1/8000；缩尺比例为1∶50时，水平力、水平弯矩的相似常数分别为1/2500和1/125000；缩尺比例为1∶60时，水平力、水平弯矩的相似常数分别为1/3600和1/216000。

表9 模型基础荷载计算

4 结论

（1）依据青岛海西风电场实测风速，通过计算得到了额定风速、切出风速下作用于基础顶面的水平荷载、竖向荷载及水平弯矩。（2）依据模型试验缩尺原理，获得缩尺比例为1∶20、1∶50、1∶60时，山区风机基础所受荷载值可用于指导模型试验。