預(yù)應(yīng)力錨栓風(fēng)機基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計研究

李建偉

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)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(fēng)能資源豐富，其中達坂城地區(qū)是目前新疆九大風(fēng)區(qū)中開發(fā)建設(shè)條件最好的地區(qū)。目前，這里的總裝機容量為1800兆瓦。雖然達坂城區(qū)在1988年就建成了全國首個風(fēng)力發(fā)電場，但此后風(fēng)電行業(yè)處于停滯狀態(tài)，在2010年末，風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量僅為440兆瓦，“十二五”期間，尤其2012-2014連續(xù)三年，該區(qū)風(fēng)電裝機容量每年增長都在240兆瓦以上。因此新型的預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)耐久性和安全性有很大的考究。尤其梁板式預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)在全國地區(qū)使用較少，本文通過對達坂城地區(qū)鹽湖風(fēng)電場使用的預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)進行內(nèi)力分析。為梁板式預(yù)應(yīng)力錨栓風(fēng)機基礎(chǔ)的設(shè)計提供建議。

1.1 地基承載力驗算

根據(jù)《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（FD 003-2007）》規(guī)定，地基承載力驗算采用極端荷載修正標(biāo)準(zhǔn)值計算。使用《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB5 0135-2006）》計算本工程環(huán)形基礎(chǔ)偏心荷載下的地基承載能力驗算。查《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50135-2006）》附錄C通過內(nèi)插法得：τ=1.451，ξ=0.855

基礎(chǔ)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(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（FD 003-2007）》要求。

基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗算主要包括抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性計算，根據(jù)《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（FD 003-2007）》規(guī)定，抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性計算時應(yīng)采用極端荷載修正標(biāo)準(zhǔn)值，修正系數(shù)k0=1.35。

1.2 基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗算

抗滑穩(wěn)定性計算：極端荷載作用下的滑移力修正標(biāo)準(zhǔn)值FS=748.71kN，基底為卵石，能夠提供遠(yuǎn)大于FS的抗滑力FR，基礎(chǔ)滿足抗滑穩(wěn)定性要求。

抗傾覆穩(wěn)定性計算：基礎(chǔ)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(chǔ)抗傾覆滿足要求，不會發(fā)生傾覆。

1.3 配筋及抗沖剪驗算

確定配筋計算基礎(chǔ)內(nèi)力（抗剪切、抗沖切）應(yīng)采用極端荷載工況設(shè)計值進行計算。計算基底反力作用的結(jié)果如下：

查《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50135-2006）》附錄C通過內(nèi)插法得：τ=1.451，ξ=0.855

1.4 地基變形及裂縫驗算

根據(jù)FD003-2007《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定》第7.2.5條規(guī)定，驗算地基變形、基礎(chǔ)裂縫寬度時采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值進行計算。極端荷載、正常運行工況下荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算基底反力作用的結(jié)果如下：

極端荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

查《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50135-2006）》附錄C可得：τ=1.870，ξ=1.124。

正常運行荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

自重荷載作用：

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

自重標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生壓力：P2，k=1.2［γ（d-hb）+G砼/A］=85.37 kPa

2 預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)點載荷列陣；

（3）集成結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和等效節(jié)點載荷列陣；

（4）引入邊界條件；

（5）求解有限元方程，得到節(jié)點位移；

（6）計算單元應(yīng)變和應(yīng)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(nèi)，已經(jīng)成為土木建筑行業(yè)主流仿真分析軟件。本次計算采用ANSYS軟件對風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行計算，分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，判斷結(jié)構(gòu)安全性。根據(jù)風(fēng)電場地質(zhì)、水文等自然條件及梁板基礎(chǔ)的特點，確定了計算模型及其邊界條件。

按設(shè)計圖紙尺寸建立預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(cè)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(wǎng)格剖分，部分不規(guī)則區(qū)域采用了四面體單元網(wǎng)格。模型共計54529個單元，59592個節(jié)點。

2.3 設(shè)計采用的極端工況

（1）地基土體沉降及受力分析。①在設(shè)計采用極端荷載工況荷載作用下，地基產(chǎn)生較大的不均勻沉降。在計算分析地質(zhì)條件及參數(shù)下，基礎(chǔ)附近地基最大沉降約為9 mm，發(fā)生于背風(fēng)側(cè)基礎(chǔ)與地基接觸區(qū)域；迎風(fēng)側(cè)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(zhì)條件及參數(shù)下，只有表層地基土體發(fā)生了塑性變形，且塑性應(yīng)變值不大，最大值約為0.6%。③基礎(chǔ)底部設(shè)置聚苯乙烯板區(qū)域表面土體豎向應(yīng)力接近于零；最大豎向壓應(yīng)力發(fā)生在背風(fēng)側(cè)混凝土墊層外圍附近下部土體中，應(yīng)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(chǔ)變形及受力分析。①基礎(chǔ)底部最大豎向位移發(fā)生在背風(fēng)側(cè)底板處，其值約為9 mm；基礎(chǔ)底部迎風(fēng)側(cè)外緣處產(chǎn)生了向上的位移，其值約為2 mm；不均勻沉降約為11mm。②背風(fēng)側(cè)JL1梁與JL2梁連接處壓應(yīng)力較大，最大值約為19.1 MPa，于C40混凝土抗壓強度設(shè)計值，該部分混凝土處于臨界破壞狀態(tài)；背風(fēng)側(cè)混凝土中心筒頂部與塔筒連接位置壓應(yīng)力最大，最大值約為19.7 MPa，大于C40混凝土抗壓強度設(shè)計值19.1 MPa，該部分混凝土可能出現(xiàn)破壞。③基礎(chǔ)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度設(shè)計值的區(qū)域較大，且較為密集，尤其是底板，實際工程中應(yīng)考慮對這些區(qū)域進行加強。經(jīng)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(qū)域、背風(fēng)側(cè)底板與JL1梁連接部位、背風(fēng)側(cè)JL1梁之間底板、背風(fēng)側(cè)JL2梁、迎風(fēng)側(cè)JL1梁底部、迎風(fēng)側(cè)風(fēng)機塔筒與基礎(chǔ)頂部連接部位。④在設(shè)計采用的極限狀態(tài)工況荷載作用下，迎風(fēng)側(cè)部分基底與地基存在脫開現(xiàn)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(fēng)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(jié)果見表1：

表1 各工況有限元分析結(jié)果表

根據(jù)有限元分析結(jié)果，有以下結(jié)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(yīng)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(fā)生破壞；基礎(chǔ)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度的區(qū)域面積不大，可能拉裂區(qū)域較小；基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力小于C40混凝土抗壓強度設(shè)計值，混凝土不會被壓壞；基底不存在脫開現(xiàn)象，基礎(chǔ)穩(wěn)定性較好，不會發(fā)生傾覆破壞；風(fēng)機塔筒水平度偏差小于限值，滿足風(fēng)機結(jié)構(gòu)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(yīng)力小于基底土體承載力修正特征值，地基較安全，不會發(fā)生破壞；基礎(chǔ)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度的區(qū)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(fēng)側(cè)底板下部與JL1梁連接部位、背風(fēng)側(cè)JL2梁、迎風(fēng)側(cè)JL梁底部和頂部、迎風(fēng)側(cè)風(fēng)機塔筒與基礎(chǔ)頂部連接部位，基礎(chǔ)可能拉裂破壞的區(qū)域較大；迎風(fēng)側(cè)部分基底與地基脫開，脫開面積約為42 m2；風(fēng)機塔筒水平度偏差小于限值，滿足風(fēng)機結(jié)構(gòu)傾斜度要求。

（3）設(shè)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(yīng)力小于基底土體承載力修正特征值，地基較為安全，不會發(fā)生破壞；基礎(chǔ)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度的區(qū)域面積較大、較為密集，主要區(qū)域與極端荷載工況下的分布基本一致，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可能拉裂破壞的區(qū)域較大；背風(fēng)側(cè)JL1梁與JL2梁連接處、背風(fēng)側(cè)混凝土中心筒頂部與塔筒連接處壓應(yīng)力較大，等于或稍大于C40混凝土抗壓強度設(shè)計值，該部分混凝土可能發(fā)生破壞；迎風(fēng)側(cè)部分基底與地基脫開，脫開面積約為31.2 m2；風(fēng)機塔筒水平度偏差小于限值，滿足風(fēng)機結(jié)構(gòu)傾斜度要求。

3 結(jié) 語

（1）梁板式預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)是一種新型的風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，采用梁板式結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力錨栓，并在基礎(chǔ)底板中心設(shè)置圓形聚苯乙烯板，較傳統(tǒng)板式獨立擴展基礎(chǔ)混凝土受拉區(qū)域有所減少、優(yōu)化了基礎(chǔ)底板與基礎(chǔ)接觸面受力情況、節(jié)省了混凝土和鋼筋用量，應(yīng)用前景廣闊，是一種值得推廣的風(fēng)機基礎(chǔ)型式。

（2）經(jīng)復(fù)核，本工程梁板式預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)地基承載力、底板抗沖切強度、底板抗剪切強度、基礎(chǔ)變形及基礎(chǔ)穩(wěn)定性等均滿足規(guī)范要求。正常運行工況下，基礎(chǔ)底板、JL1、JL2梁裂縫寬度較小，滿足要求；極端荷載工況下，基礎(chǔ)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(guī)定值。

（3）根據(jù)有限元分析結(jié)果，正常運行荷載工況下，風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強度、地基承載力、穩(wěn)定性和變形等均滿足規(guī)范要求。極端荷載工況下，基礎(chǔ)底板、JL1、JL2梁存在較多的超過混凝土設(shè)計抗拉強度區(qū)，混凝土開裂范圍較大，開裂區(qū)域鋼筋承受主要的拉應(yīng)力；基底與地基存在一定的脫開面積。