山區風機基礎頂面荷載計算及其模型試驗縮尺方法

姜大山，晁孌孌

1.濰坊龍文建設投資股份有限公司，山東 濰坊 261100

2.山東北匯建設工程有限公司，山東 菏澤 274000

前人在探討基礎承載性能時，常采用模型試驗方法[1-2]，但模型試驗很難實現與工程實際比例為1∶1的試驗條件，因此試驗時常對基礎模型進行縮尺。當基礎縮尺后，上部風機結構傳遞到基礎的荷載（水平荷載、豎向荷載及彎矩）也應相應縮尺，但其縮尺方法還需探討。文章依據青島海西風電場的實測風速數據，分別計算額定風速和切出風速工況下，葉輪葉片、機艙及塔筒所受的風荷載，以及由塔筒傳遞到基礎頂面的水平荷載、豎向荷載及傾覆彎矩。通過彈性力學相似比尺原理，得出模型試驗中模型基礎頂面對應的縮尺后的荷載，用于指導模型試驗。

1 工程概況

青島海西風電場占地主要為山頂未利用地，場區內設3座測風塔，測得空氣密度約為1.186kg/m3；風電場50m、80m高度處50年一遇最大風速分別為29.2m/s、30.4m/s。風機單機容量為2MW，輪轂高度為80m；風機基礎采用重力式圓形擴展基礎；基礎上部風機結構各部件及其質量見表1。

表1 基礎上部結構各部件質量

2 計算風荷載

（1）作用于塔筒上的荷載。葉輪葉片所受風荷載通過塔筒的傳遞對基礎產生荷載作用。根據《風電機組地基基礎設計規定（試行）》規定：上部風機結構傳至塔筒底部與基礎交界面的荷載宜用荷載標準值表示。由《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）可知，垂直于建筑物表面單位面積上的風荷載標準值計算公式如下：

表2 不同工況下的基本風壓

為便于計算塔筒的風振系數，將塔筒從上至下分為四段，再由下面的風振系數計算公式得出不同塔筒高度處的風振系數（見表3）。

表3 不同高度處的風振系數

可得式（2）：

式中：g為峰值因子；I10為高度為10m的湍流強度，山地地區I10=0.14；Bz為脈動風載的分量因子；R為脈動風載的共振分量因子。

由此，得到塔筒各段風載值（見表4、表5）。

表4 塔筒各段結構設計

表5 塔筒所受風荷載分布情況

（2）作用于塔筒頂端的荷載。額定風速、切出風速條件下，葉輪葉片的旋轉速度不同，產生的荷載亦不同。注意：①額定風速下，風輪和機艙受到的荷載包括氣動荷載、偏轉力、垂直力、旋轉與俯仰彎矩；②切出風速下，風輪和機艙受到的荷載包括氣動荷載、垂直力、轉矩和偏轉彎矩。塔頂荷載的計算結果見表6。

表6 塔頂荷載分布情況

（3）作用于塔底（基礎頂面）的荷載。塔筒頂端及塔筒所受荷載傳遞至塔底即基礎頂面，現考慮額定、切出風速兩種風況（見表7、表8）。

表7 作用于塔底的荷載

表8 作用于基礎頂面的荷載

3 模型試驗簡化方法

通過模型試驗可探討基礎的承載特性，但模型試驗很難建立與工程實際比例為1∶1的基礎模型，常將基礎模型進行縮尺，模型基礎的受力也需要進行等效縮尺。由于基礎所受豎向荷載變化不大，因此主要探討水平荷載作用下基礎的承載性能。縮尺比例分別為1∶20、1∶50、1∶60，所獲得的基礎模型受力值見表9。根據彈性力學中各相似常數的關系可得，縮尺比例為1∶20時，水平力、水平彎矩對應的模型荷載相似常數分別為1/400和1/8000；縮尺比例為1∶50時，水平力、水平彎矩的相似常數分別為1/2500和1/125000；縮尺比例為1∶60時，水平力、水平彎矩的相似常數分別為1/3600和1/216000。

表9 模型基礎荷載計算

4 結論

（1）依據青島海西風電場實測風速，通過計算得到了額定風速、切出風速下作用于基礎頂面的水平荷載、豎向荷載及水平彎矩。（2）依據模型試驗縮尺原理，獲得縮尺比例為1∶20、1∶50、1∶60時，山區風機基礎所受荷載值可用于指導模型試驗。