淺談預應力錨栓風機基礎的結構設計

沈永強

【摘 要】近年來，預應力錨栓系統越來越多的應用在陸上風電的風機基礎中；相較于傳統的基礎環，預應力錨栓的受力機理方面完全不同。本文通過對傳統基礎環及預應力錨栓系統的受力分析，并結合兩者分別與風機基礎之間的力學分析，進而對兩者從技術角度形成對比，從而為風電同行對風機塔筒與風機基礎的連接方式的選擇提供參考。

【關鍵詞】傳統基礎環 預應力錨栓 風機基礎

1 概述

風機塔筒與風機基礎的連接方式很長一段時間在我國都是采用傳統的基礎環連接，近幾年出現預應力錨栓連接。針對基礎環基礎剛度、強度突變以及耐久性問題，用預應力錨栓來連接塔筒和風機基礎，其受力方式與基礎環連接的受力方式完全不同，避免了基礎環連接在風機運行中風機基礎可能出現的不利情況。

2 預應力錨栓基礎的力學分析

對于采用傳統基礎環連接方式的風機基礎，基礎環埋入混凝土中的部分是一個剛性結構，而露出部分以及整個塔筒又是一個柔性體，在基礎環和混凝土基礎最上面的交線，就形成了一個應力集中部位，如果基礎環在這個部位材料有缺陷或承受的應力過大，就很容易在這個部位造成疲勞破壞。在實際運行的風電場中，有部分風電場的風機基礎已經出現了基礎環兩側混凝土出現疲勞破環，基礎環與兩側混凝土直接出現肉眼可見的脫開縫隙，在風機運行時基礎環有明顯的晃動，直接影響風機設備的安全。如下圖1。

預應力錨栓的出現，則完全避免了風機基礎出現以上問題的可能。為什么預應力錨栓可以避免這一問題呢？下面就從預應力錨栓基礎的受力分析來解答這個問題。

由上圖2可以看出，預應力錨栓替代了基礎環，而風機基礎的形式仍為普通的基礎形式。預應力錨栓基礎形式并不是將錨栓和混凝土澆筑在一起，它是由上錨板、下錨板、錨栓、PVC 護管等組成，在上錨板和下錨板之間用PVC護管將錨栓與混凝土隔離，而且要密封，澆筑過程中水不能進入到護管內，以免對錨栓造成腐蝕。當錨栓受到拉力時，錨栓的下錨板以上部分會均勻受力，整個錨栓是一個彈性體，沒有彈性部分和剛性部分的界面，從而避免了應力集中。由于對錨栓施加預應力，混凝土基礎始終處于受壓狀態，因此采用預應力錨栓的風機基礎就不會出現基礎環兩側混凝土出現應力集中而產生破壞的情況。

采用預應力錨栓連接塔筒和基礎有以下優點如圖3。

（1）錨栓貫穿基礎整個高度并通過下錨板將錨栓錨固在基礎底板，結構連續、無剛度和強度突變；

（2）鋼筋和錨栓交叉架設，互不影響，施工便利，基礎整體性好；

（3）采用液壓雙缸高強螺栓張拉器對錨栓施加準確的預拉力，使上、下錨板對鋼筋混凝土施加壓力，基礎受彎作用時，迎風側混凝土壓應力有所釋放但始終處于受壓狀態，混凝土不產生裂縫，其耐久性得到提高；

（4）基礎柱墩中豎向鋼筋幾乎不受力，僅需按構造配置預應力鋼筋混凝土中的非預應力鋼筋，基礎更為經濟；

（5）錨栓組合件生產供應周期短，可大大降低業主的建設周期，加快投資回報。

3 預應力錨栓基礎的結構計算

以某風電場單機容量2.0MW的預應力錨栓基礎為例，對預應力錨栓基礎進行結構設計。

3.1 風機荷載（表1）

3.2 設計參數

混凝土材料的計算參數：混凝土強度等級為C40，混凝土抗凍等級為F150，裂縫控制等級為三級；鋼筋為HRB400三級鋼。

基礎混凝土保護層厚度為：基礎底面鋼筋保護層80mm，頂面及側面保護層厚度均為50mm。

預應力錨栓采用8.8級M42高強螺栓，分兩圈沿圓周均勻布置，每圈布置80根，一共160根。單根錨栓預張力為502KN。

基礎采用天然地基，基礎持力層強風化或中風化砂巖，承載力特征值≥220Kpa。

工程所在地抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g。

3.3 預應力錨栓作用力計算

由于風機荷載中彎矩值較大，對于錨栓及風機基礎來說所受荷載為偏心荷載，由故上部風機傳遞至每個錨栓上的作用力是不同的，我們需要計算出所有錨栓中作用力最大的一個，用來驗算錨栓的預張力是否滿足要求。

預應力錨栓作用力計算可采用上面的公式，但由于是校核錨栓強度，公式里的荷載標準值均采用設計值（極端工況），Fk取風機荷載豎向力設計值即1.2Fz=3665.8KN，Gk取0KN，Mxk取風機荷載彎矩值1.5Mxy=91177.5KN.m，錨栓數量為160即n=160，yi根據錨栓布置半徑計算確定。

3.4 預應力錨栓基礎的其他結構設計

3.4.1 基礎形式的選擇

在風機基礎設計時，采用基礎環的風機基礎上部圓柱受到基礎環的壓力、剪力、彎矩及局部抗壓，受力很復雜，需考慮幾種荷載的共同作用，所以圓柱外部及內部的鋼筋配置較多且較復雜；而預應力錨栓基礎的上部圓柱只受壓，鋼筋只需進行構造配置即可。

整板式基礎與梁板式相比鋼筋用量較小，錨栓間距較大，基礎鋼筋穿插、綁扎方便?；A模板為上、下兩個環形模板，支模、拆模工作量小，且較方便?；A底板坡度較小，混凝土澆注較方便，但混凝土量較大，澆注時間較長。

雖然梁板式基礎較整板式基礎混凝土方量小，但鋼筋綁扎及混凝土模版相對復雜，且對施工質量要求較高。故在實際工程應用時，筆者推薦采用整板式基礎。

3.4.2 上錨板下部灌漿結構設計

由于預應力錨栓在施加預應力后，錨栓的預拉力是通過上錨板及下錨板傳遞至風機基礎上，而錨栓的后張拉工作是在錨栓的上端進行的，且基礎上部直接暴露在外部，所以上錨板下部基礎混凝土的抗壓強度尤其重要。一般會在上錨板下部開槽灌漿或直接在基礎頂面進行灌漿，厚度約80mm，見圖5。

4 結語

預應力錨栓的施工較傳統基礎環稍復雜，但預應力錨栓解決了傳統基礎環的天然缺陷，混凝土基礎始終處于受壓狀態，因此采用預應力錨栓的風機基礎就不會出現基礎環兩側混凝土出現應力集中而產生破壞的情況。在風機基礎設計時，采用基礎環的風機基礎上部圓柱外部及內部的鋼筋配置較多且較復雜；而預應力錨栓基礎的上部圓柱鋼筋只需進行構造配置即可。綜上，預應力錨栓基礎將得到越來越廣泛的應用。

參考文獻：

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