預(yù)應(yīng)力錨栓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)局壓承載力探討

吳強(qiáng)，賀廣零，鄒慶水

（1.湖南三一智慧新能源設(shè)計(jì)有限公司，長(zhǎng)沙 415000；2.北京京能清潔能源電力股份有限公司華南分公司，廣東湛江 534000）

1 引言

預(yù)應(yīng)力錨栓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)柱區(qū)域混凝土受預(yù)應(yīng)力緊固，預(yù)應(yīng)力錨栓上下錨板與高強(qiáng)灌漿料[1，2]、基礎(chǔ)混凝土接觸面存在較為明顯的局部受壓現(xiàn)象。若設(shè)計(jì)不合理，易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)該位置發(fā)生局部受壓破壞。NB/T 10311—2019《陸上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]未給出明確的計(jì)算方法，本文以實(shí)際工程為例，給出預(yù)應(yīng)力錨栓風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部受壓驗(yàn)算的具體計(jì)算方法，供廣大設(shè)計(jì)人員參考。

2 高強(qiáng)灌漿料強(qiáng)度與錨桿預(yù)拉力

2.1 高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

陸上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所采用的高強(qiáng)灌漿料屬于水泥基特種材料，NB/T 10311—2019《陸上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.5.7 條規(guī)定：粗骨料尺寸大于4.75 mm 和不大于4.75 mm 的高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度分別按100 mm×100 mm×100 mm 立方體和40 mm×40 mm×160 mm 棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)[4]；同時(shí)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)[5]規(guī)定：混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=fck/γc（fck為150 mm×300 mm 圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，γc混凝土材料分項(xiàng)系數(shù)取1.4）。兩者不是采用同一試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，且GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)未給出這種C80 等級(jí)以上高強(qiáng)材料的抗壓強(qiáng)度取值相關(guān)規(guī)定。

Support Structures for Wind Turbines2018(DNVGL-ST-0126)[6]第5.3.4.12 款、第5.4.1.3 款以及表5-2 規(guī)定，對(duì)于Plain Concrete/Grout（素混凝土或素水泥漿），其抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件采用150 mm×300 mm 圓柱體試件，軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值fcn=fcck（1-fcck/600），式中，fcck為滿足95%可靠度要求的標(biāo)準(zhǔn)件抗壓強(qiáng)度。軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=fcn/γm（γm灌漿材料分項(xiàng)系數(shù)取1.8），我國(guó)NB/T 10105—2018《海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]第12.4.4 條關(guān)于灌漿材料的強(qiáng)度規(guī)定，參照以上Support Structures for Wind Turbines2018（DNVGL-ST-0126）公式。

對(duì)于陸上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算，本文建議采用以上Support Structures for Wind Turbines（DNVGL-ST-0126）計(jì)算公式。

2.2 錨桿預(yù)拉力修正

風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況下，基礎(chǔ)錨栓內(nèi)錨桿受力是不均勻的，錨桿拉力變化與錨桿抗拉剛度、塔筒底法蘭+混凝土+墊片+錨板綜合抗壓剛度相關(guān)。一般情況下，迎風(fēng)側(cè)錨桿拉力大于背風(fēng)側(cè)錨桿拉力。根據(jù)大量錨桿內(nèi)力測(cè)試數(shù)據(jù)，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況下，迎風(fēng)側(cè)錨桿預(yù)拉力存在接近10%提高幅度，背風(fēng)側(cè)錨桿預(yù)拉力存在接近10%降低幅度。工程設(shè)計(jì)中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在驗(yàn)算錨栓連接以及連接處局壓強(qiáng)度時(shí)，建議可近似取10%。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某山地風(fēng)電場(chǎng)，采用單機(jī)容量4.2MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，葉輪直徑156 m，輪轂高度95 m，50 年極端風(fēng)速52.5 m/s，風(fēng)場(chǎng)類(lèi)型為IEC Ⅲ，極限工況下，上部結(jié)構(gòu)傳至塔筒底部的基礎(chǔ)荷載標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表1。

表1 極限工況荷載標(biāo)準(zhǔn)值

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力錨栓重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)安全重要系數(shù)γ0=1.1，根據(jù)地基與基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算所確定的基礎(chǔ)尺寸設(shè)計(jì)方案為：基礎(chǔ)底板半徑為10.3 m，基礎(chǔ)底板外緣最薄處高度為0.8 m，最厚處高度為2.85 m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)柱頂面半徑R為3.15 m。塔筒直徑為4.5 m，基礎(chǔ)埋深為3.5 m。基礎(chǔ)臺(tái)柱配筋圖見(jiàn)圖1，上下錨板尺寸圖見(jiàn)圖2 和圖3。錨桿設(shè)計(jì)預(yù)拉力為577 kN（含超張拉）。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)柱配筋圖

圖2 上錨板尺寸圖

圖3 下錨板尺寸圖

基礎(chǔ)主體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，高強(qiáng)灌漿料采用BASF 9400，根據(jù)廠家所提供的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，本型號(hào)高強(qiáng)灌漿料20 ℃養(yǎng)護(hù)條件下28 d 抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（150 mm×300 mm 圓柱體抗壓試驗(yàn)值）為117 MPa。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)相關(guān)的灌漿料、錨板、錨桿、基礎(chǔ)尺寸參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸參數(shù)表

3.2 高強(qiáng)灌漿料強(qiáng)度驗(yàn)算

扣除錨栓孔孔洞后的高強(qiáng)灌漿料受壓凈面積An1與凈慣性矩In1為：

由彎矩Mxy·k產(chǎn)生的灌漿料邊緣壓應(yīng)力：

由豎向荷載Fz·k和錨栓預(yù)拉力P0產(chǎn)生的灌漿料邊緣壓應(yīng)力：

式中，γxy為彎矩荷載分項(xiàng)系數(shù)1.4；γz為豎向荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.2；n為錨桿根數(shù)200 根；P0為錨桿張拉力577kN；κ1為背風(fēng)側(cè)錨桿預(yù)應(yīng)力折減系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)近似取0.9。

本工程所采用的高強(qiáng)灌漿料，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd=117×（1-117/600）/1.8=52.3MPa。

由于灌漿料內(nèi)部未配筋，故按素混凝土局壓來(lái)計(jì)算，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)附錄D.5條，ωβlfcd-γ0σ1=9.53≥0，故高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度滿足要求。

其中：ω分為荷載分布影響系數(shù)1.0；βl為混凝土局壓強(qiáng)度提高系數(shù)1.168；根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)附錄D.5 條計(jì)算。

3.3 高強(qiáng)灌漿料下方混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算

高強(qiáng)灌漿料下方混凝土受壓面積A2與受壓計(jì)算面積A2b為：

其中，r23=r21-min{B1，B2}=1 329 mm，r24=r22+min{B1，B2}=3 129 mm。

扣除錨栓孔孔洞后的高強(qiáng)灌漿料下方混凝土受壓凈面積An2與凈慣性矩In2為：

由彎矩Mxy·k產(chǎn)生的高強(qiáng)灌漿料下方混凝土邊緣壓應(yīng)力：

由豎向荷載Fz.k和錨栓預(yù)拉力P0產(chǎn)生的高強(qiáng)灌漿料下方混凝土邊緣壓應(yīng)力：

高強(qiáng)灌漿料下方混凝土總壓應(yīng)力：

其中，B1為灌漿料寬度，B1=r22-r21=600 mm，B2為基礎(chǔ)臺(tái)柱超出灌漿料寬度，B2=R-r22=600 mm；κ1為背風(fēng)側(cè)錨桿預(yù)應(yīng)力折減系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)近似取0.9；βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，取1.0；βl1為高強(qiáng)灌漿料下方混凝土局壓強(qiáng)度提高系數(shù)1.732；fc為C40 混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值19.1 MPa。

βc與βl1根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)第6.6.1 條計(jì)算；

1.35βcβl1fc-γ0σ2=9.33≥0，故高強(qiáng)灌漿料下方混凝土局壓截面尺寸滿足要求。

故高強(qiáng)灌漿料下方混凝土局壓強(qiáng)度滿足要求。

其中，α、ρv、βcorl根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)第6.6.3 條計(jì)算。

式中，α為鋼筋對(duì)混凝土的約束折減系數(shù)1.0；ρv為體積配筋率1.2%；βcorl為配置鋼筋的高強(qiáng)灌漿料下方混凝土局壓強(qiáng)度提高系數(shù)1.704；fyv為HRB40 鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360 MPa。

3.4 下錨板上方混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算

下錨板上方混凝土受壓面積A3與受壓計(jì)算面積A3b為：

其中，r25=r1-B3=1 702 mm，r26=r1+B3=2 761 mm。

扣除錨桿孔洞后的下錨板上方混凝土受壓凈面積An3為：

由錨栓預(yù)拉力P0產(chǎn)生的邊緣壓應(yīng)力：

其中，B3為下錨板寬度，B3=r1-r2=353 mm；κ2為迎風(fēng)側(cè)錨桿預(yù)應(yīng)力提高系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)近似取1.1；βl2為下錨板上方混凝土局壓強(qiáng)度提高系數(shù)1.732。

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)第6.6.1 條計(jì)算。

1.35βcβl2fc-γ0σ3=8.36≥0，故下錨板上部混凝土局壓截面尺寸滿足要求。

其中，α 為鋼筋對(duì)混凝土的約束折減系數(shù)1.0；ρv為體積配筋率1.2%；βcor2為配置鋼筋的混凝土局壓強(qiáng)度提高系數(shù)1.732。

α、ρv、βcor2根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015 年版)第6.6.3 條計(jì)算。

0.9（βcβl2fc+2αρvβcor2fyv）-γ0σ3=6.91≥0，故下錨板上方混凝土局壓強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)、國(guó)外規(guī)程規(guī)范，給出高強(qiáng)灌漿料抗壓強(qiáng)度推薦計(jì)算公式，給出了風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況下預(yù)應(yīng)力錨栓錨桿預(yù)拉力修正系數(shù)，并通過(guò)工程實(shí)例，提供了錨栓連接處灌漿料強(qiáng)度驗(yàn)算、灌漿料下方混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算、下錨板上方混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算計(jì)算方法與流程，從具體計(jì)算方法來(lái)看，計(jì)算過(guò)程符合國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程，計(jì)算原理簡(jiǎn)單，實(shí)用性較強(qiáng)，通過(guò)本文希望能為廣大風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)人員在計(jì)算風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局壓強(qiáng)度驗(yàn)算、高強(qiáng)灌漿料選型等設(shè)計(jì)方面提供有益幫助。