預應力錨栓風機基礎優化設計研究

李建偉

（1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆新能源研究院，新疆 烏魯木齊830052）

1 工程概況

新疆風能資源豐富，其中達坂城地區是目前新疆九大風區中開發建設條件最好的地區。目前，這里的總裝機容量為1800兆瓦。雖然達坂城區在1988年就建成了全國首個風力發電場，但此后風電行業處于停滯狀態，在2010年末，風電并網裝機容量僅為440兆瓦，“十二五”期間，尤其2012-2014連續三年，該區風電裝機容量每年增長都在240兆瓦以上。因此新型的預應力錨栓基礎耐久性和安全性有很大的考究。尤其梁板式預應力錨栓基礎在全國地區使用較少，本文通過對達坂城地區鹽湖風電場使用的預應力錨栓基礎進行內力分析。為梁板式預應力錨栓風機基礎的設計提供建議。

1.1 地基承載力驗算

根據《風電機組地基基礎設計規定（FD 003-2007）》規定，地基承載力驗算采用極端荷載修正標準值計算。使用《高聳結構設計規范（GB5 0135-2006）》計算本工程環形基礎偏心荷載下的地基承載能力驗算。查《高聳結構設計規范（GB 50135-2006）》附錄C通過內插法得：τ=1.451，ξ=0.855

基礎脫開面積為29 m2，脫開面積約為基底總面積的16%，約為基底與混凝土基層接觸面積的21%，小于基底面積的25%，滿足《風電機組地基基礎設計規定（FD 003-2007）》要求。

基礎穩定性驗算主要包括抗滑移和抗傾覆穩定性計算，根據《風電機組地基基礎設計規定（FD 003-2007）》規定，抗滑移和抗傾覆穩定性計算時應采用極端荷載修正標準值，修正系數k0=1.35。

1.2 基礎穩定性驗算

抗滑穩定性計算：極端荷載作用下的滑移力修正標準值FS=748.71kN，基底為卵石，能夠提供遠大于FS的抗滑力FR，基礎滿足抗滑穩定性要求。

抗傾覆穩定性計算：基礎脫開面積為29 m2，脫開面積約為基底總面積的16%，小于基底面積的25%，抗傾力矩MR=108690.08 kN·m，傾覆力矩修正值MS=54697.36 kN·m，MR/MS=1.99＞1.6，基礎抗傾覆滿足要求，不會發生傾覆。

1.3 配筋及抗沖剪驗算

確定配筋計算基礎內力（抗剪切、抗沖切）應采用極端荷載工況設計值進行計算。計算基底反力作用的結果如下：

查《高聳結構設計規范（GB50135-2006）》附錄C通過內插法得：τ=1.451，ξ=0.855

1.4 地基變形及裂縫驗算

根據FD003-2007《風電機組地基基礎設計規定》第7.2.5條規定，驗算地基變形、基礎裂縫寬度時采用荷載標準值進行計算。極端荷載、正常運行工況下荷載標準值計算基底反力作用的結果如下：

極端荷載標準值：

查《高聳結構設計規范（GB50135-2006）》附錄C可得：τ=1.870，ξ=1.124。

正常運行荷載標準值：

自重荷載作用：

自重設計值產生壓力：P2=1.2［γ（d-hb）+G砼/A］=102.44 kPa

自重標準值產生壓力：P2，k=1.2［γ（d-hb）+G砼/A］=85.37 kPa

2 預應力錨栓基礎有限元分析

2.1 有限單元法及軟件

彈性條件下，有限單元法求解步驟如下：

（1）有限元分析首先對結構進行離散；

（2）采用以下兩式形成單元剛度矩陣和單元等效節點載荷列陣；

（3）集成結構的剛度矩陣和等效節點載荷列陣；

（4）引入邊界條件；

（5）求解有限元方程，得到節點位移；

（6）計算單元應變和應力；

（7）進行必要的后處理。

ANSYS作為一個大型通用有限元分析軟件，在世界范圍內，已經成為土木建筑行業主流仿真分析軟件。本次計算采用ANSYS軟件對風機基礎結構進行有限單元法分析計算。

2.2 模型概化及邊界條件

本項目的主要目的是對梁板式預應力錨栓基礎結構進行計算，分析基礎結構內力，判斷結構安全性。根據風電場地質、水文等自然條件及梁板基礎的特點，確定了計算模型及其邊界條件。

按設計圖紙尺寸建立預應力錨栓基礎結構模型。

由于計算模型的對稱性，實際計算分析時采用1/2模型。最下層土體底面施加固定約束，土柱體側面施加徑向及法向約束，對稱面上施加對稱約束。

為了提高計算精度，模型主要采用六面體單元進行網格剖分，部分不規則區域采用了四面體單元網格。模型共計54529個單元，59592個節點。

2.3 設計采用的極端工況

（1）地基土體沉降及受力分析。①在設計采用極端荷載工況荷載作用下，地基產生較大的不均勻沉降。在計算分析地質條件及參數下，基礎附近地基最大沉降約為9 mm，發生于背風側基礎與地基接觸區域；迎風側與地基接觸下部的土體沉降量約為1 mm；不均勻沉降值約為8 mm。②在計算分析采用的地質條件及參數下，只有表層地基土體發生了塑性變形，且塑性應變值不大，最大值約為0.6%。③基礎底部設置聚苯乙烯板區域表面土體豎向應力接近于零；最大豎向壓應力發生在背風側混凝土墊層外圍附近下部土體中，應力較為集中，最大值約為289 kPa，小于②層土體的承載力修正特征值（478.5 kPa），滿足要求。

（2）基礎變形及受力分析。①基礎底部最大豎向位移發生在背風側底板處，其值約為9 mm；基礎底部迎風側外緣處產生了向上的位移，其值約為2 mm；不均勻沉降約為11mm。②背風側JL1梁與JL2梁連接處壓應力較大，最大值約為19.1 MPa，于C40混凝土抗壓強度設計值，該部分混凝土處于臨界破壞狀態；背風側混凝土中心筒頂部與塔筒連接位置壓應力最大，最大值約為19.7 MPa，大于C40混凝土抗壓強度設計值19.1 MPa，該部分混凝土可能出現破壞。③基礎拉應力大于混凝土抗拉強度設計值的區域較大，且較為密集，尤其是底板，實際工程中應考慮對這些區域進行加強。經分析，這些單元主要位于：混凝土中心筒與底板的連接部位及附近外圍區域、背風側底板與JL1梁連接部位、背風側JL1梁之間底板、背風側JL2梁、迎風側JL1梁底部、迎風側風機塔筒與基礎頂部連接部位。④在設計采用的極限狀態工況荷載作用下，迎風側部分基底與地基存在脫開現象，脫開面積約為31.2 m2（約占基底與混凝土墊層接觸面積的20%，約占基底總面積16.3%）。

（3）塔筒底部水平度偏差分析。塔筒底部沉降最大值約為8 mm，最小值約為2 mm，不均勻沉降值約為6 mm。通常情況下，風機塔筒水平度偏差限值約為0.2～0.3%，滿足要求。

各工況有限元分析結果見表1：

表1 各工況有限元分析結果表

根據有限元分析結果，有以下結論：

（1）正常運行荷載工況下：地基沉降值及不均勻沉降值較小，地基土體壓應力小于基底土體承載力修正特征值，地基安全性較高，不會發生破壞；基礎拉應力大于混凝土抗拉強度的區域面積不大，可能拉裂區域較小；基礎最大壓應力小于C40混凝土抗壓強度設計值，混凝土不會被壓壞；基底不存在脫開現象，基礎穩定性較好，不會發生傾覆破壞；風機塔筒水平度偏差小于限值，滿足風機結構傾斜度要求。

（2）極端荷載工況下：地基沉降值及不均勻沉降值不大，地基土體豎向壓應力小于基底土體承載力修正特征值，地基較安全，不會發生破壞；基礎拉應力大于混凝土抗拉強度的區域面積較大、較為密集，主要位于混凝土中心筒與底板的連接部位、背風側底板下部與JL1梁連接部位、背風側JL2梁、迎風側JL梁底部和頂部、迎風側風機塔筒與基礎頂部連接部位，基礎可能拉裂破壞的區域較大；迎風側部分基底與地基脫開，脫開面積約為42 m2；風機塔筒水平度偏差小于限值，滿足風機結構傾斜度要求。

（3）設計采用的極端荷載工況下：地基沉降值及不均勻沉降值較大，地基土體豎向壓應力小于基底土體承載力修正特征值，地基較為安全，不會發生破壞；基礎拉應力大于混凝土抗拉強度的區域面積較大、較為密集，主要區域與極端荷載工況下的分布基本一致，基礎結構可能拉裂破壞的區域較大；背風側JL1梁與JL2梁連接處、背風側混凝土中心筒頂部與塔筒連接處壓應力較大，等于或稍大于C40混凝土抗壓強度設計值，該部分混凝土可能發生破壞；迎風側部分基底與地基脫開，脫開面積約為31.2 m2；風機塔筒水平度偏差小于限值，滿足風機結構傾斜度要求。

3 結 語

（1）梁板式預應力錨栓基礎是一種新型的風機基礎結構型式，采用梁板式結構、預應力錨栓，并在基礎底板中心設置圓形聚苯乙烯板，較傳統板式獨立擴展基礎混凝土受拉區域有所減少、優化了基礎底板與基礎接觸面受力情況、節省了混凝土和鋼筋用量，應用前景廣闊，是一種值得推廣的風機基礎型式。

（2）經復核，本工程梁板式預應力錨栓基礎地基承載力、底板抗沖切強度、底板抗剪切強度、基礎變形及基礎穩定性等均滿足規范要求。正常運行工況下，基礎底板、JL1、JL2梁裂縫寬度較小，滿足要求；極端荷載工況下，基礎底板、JL2梁的裂縫均滿足要求，JL1梁頂和梁底的裂縫寬度較大，接近或稍大于規定值。

（3）根據有限元分析結果，正常運行荷載工況下，風機基礎結構強度、地基承載力、穩定性和變形等均滿足規范要求。極端荷載工況下，基礎底板、JL1、JL2梁存在較多的超過混凝土設計抗拉強度區，混凝土開裂范圍較大，開裂區域鋼筋承受主要的拉應力；基底與地基存在一定的脫開面積。