風力發電風機基礎環安裝裝置施工技術

1 工程概況

某項目規劃裝機容量300MW，規劃面積約為60km2。本工程為中區風場，裝機容量49.5MW（33×1.5MW）。場址區海拔約為1400m～1650m。場址區地形開闊；地形較為復雜，場地呈戈壁景觀，有少量耐旱植被生長。南側約12km為東西向312國道，南側約13km為東西向連霍高速，東側約12km為南北向的縣鄉公路。

本風場計劃安裝33臺1500kW風力發電機組，總裝機規模49.5 MW，每臺風機配一臺箱式變壓器。

本工程采用金風70/1500風力發電機組，基礎環上法蘭直徑為4.2米，重量為13T，高度為1650mm，基礎環是獨立風機基礎重要的預埋部件，它承載著風機塔筒及風機等靜荷載以及運行時巨大風力動荷載，所以對基礎環的安裝水平度要求是非常高的，控制在2 mm以內。由于基礎環自重，體積較大，同時在基礎澆筑時受作業環境影響因素多，所以從基礎環進場到最終交接各個施工環節必須嚴格遵守規范的施工工藝要求。

2 風力發電風機基礎環安裝裝置施工技術分析

2.1 基礎環連接

目前，大多數機組塔筒和基礎之間采用基礎環連接形式，雖然鋼筋混凝土耐久性較好，但是基礎環連接處剛度突變，傳力路徑不連續，基礎環基礎運行過程中出現問題還是比較常見的。由于基礎環底法蘭處剛度突變、基礎環埋深不合理等問題，三角區產生集中裂縫，造成脫開破壞基礎環基礎的問題歸納起來包括：（1）基礎環連接處剛度突變，傳力路徑不連續，底法蘭處剛度突變引起混凝土受拉開裂和受壓疲勞破壞問題；（2）基礎環開孔少，鋼筋穿插困難，基礎環筒壁一般不設栓釘，也不與基礎鋼筋直接焊接；（3）在彎矩作用下，基礎環底法蘭上下兩側混凝土承擔大部分上部荷載，底法蘭兩側混凝土開裂后才將外力傳給周圍豎向鋼筋，因此基礎結構不連續造成寬度較大的裂縫集中出現：（4）基礎環底法蘭寬度有限，上下兩側混凝土應變呈三角形分布，在上部塔筒傳入的高周疲勞荷載作用下，局部混凝土強度和剛度不斷退化，最終混凝土壓碎，形成三角形空洞；（5）基礎環埋深無確切依據，若參考＜鋼結構設計規范》，插入式柱腳插入最小深度為1.5d（d為鋼管柱直徑），而基礎環埋入基礎深度一般為0.3-0.4d左右，考慮基礎環底法蘭的存在，有必要設定分配比例，給出埋深確認方法（即基礎環側壁混凝土抗壓）。基礎環的連接形式使基礎環錨固區混凝土在較高應力水平下工作。機組基礎在服役期間在環境侵蝕和荷載長期疲勞效應、突發事變過載效應等因素的綜合作用下，基礎環錨固區混凝土損傷不斷累積，抗力衰減，從而使結構抵抗自然災害、甚至正常工作荷載的能力下降，甚至發生突發性的破壞事故。

2.2 預應力錨栓連接

采用預應力錨栓連接塔筒和基礎，塔筒的荷載通過預埋在基礎內的預應力錨栓傳遞給基礎。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，基礎混凝土一直處于受壓狀態，結構連續、無剛度和強度突變。鋼筋和錨栓交叉架設，互不影響，施工便利，基礎整體性好。因此，預應力錨栓基礎整體性較好，具有較好的受力性能。預應力錨栓連接與基礎環連接最本質的區別是，前者為預應力結構，后者為非預應力結構。在預應力作用下，連接區域鋼筋混凝土處于應力水平較高、應力幅較低的比較有利的受力狀態，因此其抗疲勞荷載作用性能較后者好很多。

2.3 基礎連接受力對比

基礎環錨固于基礎鋼筋混凝土中，通過底部T型板和側壁將所受荷載傳遞至基礎鋼筋混凝土中，其中彎矩和豎向力由T型板與混凝土的局部壓力承受，剪力由基礎環與混凝土的側壓力承受，其他荷載分量對基礎與混凝土連接產生的荷載效應很小。

預應力是為了改善結構服役表現，在施工期間給結構預先施加的壓應力，結構服役期間預加壓應力可全部或部分抵消載荷導致的拉應力，避免結構破壞。常用于混凝土結構，是在混凝土結構承受荷載之前，預先對其施加壓力，使其在外荷載作用時的受拉區混凝土內力產生壓應力，用以抵消或減小外荷載產生的拉應力，使結構在正常使用的情況下不產生裂縫或者裂得比較晚。預應力錨栓連接僅為塔筒與基礎的連接形式，因此基礎形式可根據地質情況、受力要求靈活布置，可采用重力式擴展基礎、肋梁式擴展基礎、巖石錨桿基礎、短粧基礎等等。此外，預應力錨栓從張拉完畢直

2.4 經濟性對比

采用預應力錨栓連接時，錨栓相當于柱墩區域的受拉鋼筋，混凝土受“預壓”作用，因此該區域混凝土可按預應力混凝土中配置非預應力構造鋼筋設計，不存在基礎環連接形式存在的基礎環與豎向錨固鋼筋重復配置問題；由于預應力錨栓將塔底荷載傳遞到基礎底部，因此也不需要像基礎環連接形式那樣將柱墩直徑增加很多；隨著機組大型化發展，塔底極限載荷和疲勞載荷越來越大，如仍采用基礎環連接，勢必要將基礎環埋入深度增加、底部T型板加厚，這將造成基礎環造價大大提高。

2.5 施工對比

以常見的重力式機組基礎為例，機組基礎施工包括基礎環／錨栓籠安裝、鋼筋制作與綁扎、模板支護、混凝土澆筑、養護拆模等過程。基礎環安裝較為簡單快捷，錨栓籠包含上下錨板、錨栓及其套管配件等，因此安裝需要較多人工；由于錨栓施加預應力之后相當于受拉鋼筋、且鋼筋穿插錨栓籠較為方便，因此采用預應力錨栓連接時鋼筋制作和扎較基礎環連接效率高。

3 結束語

從結構安全角度，預應力錨栓連接避免了基礎環基礎的強度和剛度突變，其安全性在越來越多的工程實踐中得到檢驗。從施工和進度考慮，預應力錨栓組合件可比基礎環提前到場一個月，大大提前基礎開工時間，為項目盡早投產發電收回投資爭取了時間。預應力錨栓基礎可避免基礎環基礎常見的水平度超差難以處理的問題。從經濟性比較，預應力錨栓連接可優化塔架與基礎連接部位的受力，節約鋼筋和混凝土用量，針對不同地質條件設計不同形式的基礎，可改善基礎受力、節約工程量。