Trojan电瓶风力发电机组基础设计研究

当今人类生存以及发展之际，能源还有环境属于亟待去解决的紧迫问题，不可再生能源存在大量开采的状况，能源利用方面有着环境被破坏等一系列问题，这些迫使我们在开发利用常规能源之时，更要注重去开发可再生的清洁能源，像风能、太阳能、潮汐能、生物质能以及水能等，风力发电作为可再生的清洁能源，受到世界各国政府和能源界以及环保界的高度重视，发展风力发电事业是目前国内外电力事业发展趋势当中的一种 。首先地球上风力资源暗藏量极大，其次它清洁不存在污染，再者施工需要运用的周期不长，然后投资具备灵活性，最后占地的面积不多，有着颇为良好的社会以及经济方面的效益。

近些年来，国内诸多风电场工程，已先后建成发电，或者正处于建设之中，然而，涉及风电机组安全的风电机组基础设计，却始终未曾拥有系统、详尽的理论支撑，在设计里，一般会借鉴电力工程、建筑工程等方面的设计理论，如此一来，导致风电机组基础设计，有的偏向于保守，有的则偏向于不安全，个别已经建成的风电场风机机组，在极端工况之时，甚至出现基础倾倒破坏的状况，造成的经济损失颇为巨大。

关键词 风机基础 偏心受压 基底允许脱开面积 地基变形计算

稳定性计算 裂缝宽度验算 疲劳强度验算

 

1 风电发展概况

在世界范围之内，最早着手利用风力发电的是欧洲国家，于19世纪末期的时候，率先开启风力发电探索之旅的是丹麦，其构建起了全球首座风力发电试验站，到了20世纪30年代，丹麦、 。瑞典、苏联和美国应用航空工业其旋翼技术，成功研制出一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，在多风的海岛以及偏僻的乡村广泛使用。20 世纪 70 年代，美国、丹麦建成大中型发电机组电站。自 20 世纪 90 年代起，丹麦、德国大力发展风力发电站，每年风力发电量的增长率都在 30%以上，还制定出长期发展规划。除德国和丹麦外，荷兰、瑞典、法国、挪威、芬兰、意大利和西班牙等国家也出台了 5 年、10 年风力发电普及计划。

上世纪九十年代，属于我国风力发电的发展时期，那时主要设备选用的是进口的且是借助国外政府贷款才配套完成。“十五”时期，中国的并网风电迅速发展起来并壮大。全国风电规划目标上，国家发改委编订了《国家风力发电中长期发展规划》，还广泛地征集了各省发改委（计委）包括相关下属单位的意见看法得以最后成就，提出了到二零二零年全国构建两千万千瓦风电装机的宏大雄伟目标，风电要在能源供应以及减排温室气体方面发挥显著作用是在二零二零年往后 。

 

国内风机基础设计发展概况

 

当下，国内风机基础的设计水准，整体处在较为滞后的状况，具体呈现于如下几个层面：与其他大型工程项目相较而言，不存在针对风电场设计的正式国家规范、规程；当前仅有的这本，名为《风电场工程等级划分及设计安全标准（试行）》（FD002 - 2007）的技术标准，以及另一本名为《风电机组地基基础设计规定（试行）》（FD003 - 2007）的技术标准，其内容较为欠缺完善性，不能够有效地确保风机基础设计的合理性。2.当前，在计算机辅助工具越来越流行的当下，设计者对于计算软件的运用没办法形成统一的认知，并且设计者广泛使用的一部分软件自身技术含量不高、功能较为落后。当下，在国际上能够被应用于风机基础设计的软件主要包含：工程模拟有限元软件ABAQUS，Bentley工程软件有限公司所开发的国际化通用结构分析与设计软件STAAD/CHINA，通用有限元分析软件ANSYS等等三种软件。国内那些从事设计工作的人员，主要运用CFD风电工程软件，也就是塔架地基基础设计软件WTF，来开展风机基础的初步设计事宜。WTF这款软件，乃是由北京木联能软件技术有限公司和中国水电工程顾问集团公司共同联合开发出来的，它属于能与《风电机组地基基础设计规定（试行）》（FD003 - 2007）相配套的设计软件。而对于施工图设计而言，主要采用的是美国 句号（此处原句未完整，推测是想表达“美国的某个事物”，但未给出具体内容，所以按要求补充句号使句子完整）。PTC公司旗下的一款工程计算软件MATHCAD当作计算编制工具，靠手工一项一项地去输入计算内容，犹如国内在20世纪90年代以前民用设计所在用的手工计算模式，其最终计算得出结果肯定会存在很大差异。实际工程当中采用的基础形式颇为单一，而且配筋状况杂乱无章，还缺少必要的技术创新举措。风机生产厂家没办法针对所提出的风机荷载给出详细计算书，致使缺少必要的外部监督以及检查。基于以上这些缘由，必定会使得国内风机基础设计水平在整体上显得比较落后，有的情况偏向保守，有的又偏向不安全 。

 

风机基础设计要点

依据《风电机组地基基础设计规定（试行）》，也就是（FD003 - 2007），以下简称为风机基础规定，以及《高耸结构设计规范》，亦即（GB50135 - 2006），以下简称为高耸规范而言，风机基础计算主要涵盖以下几个要点：

3.1地基承载力计算

3.2地基抗压计算

地基抗压验算，要分别计算极端荷载工况，还要计算正常运行荷载工况，也要计算多遇地震荷载工况。因为各种工况计算原理相似，所以取三种工况的最不利荷载来进行、开展、实施计算。各工况荷载具体是由风机生产厂家予以、给予、提供的。荷载效应取标准组合，在标准组合的情况下各荷载分项系数都、尽、均为γb=1.0 。

3.2.1轴心荷载作用下

按照风机基础所规定的第8.3.1 条，以及第8.3.2 条，在基础承受轴心荷载这个状况之下，。

应满足式： p_k≤f_a

根据风机基础规定第8.3.1和第8.3.2条，当基础承受偏心荷载时，应满足式p_kmax≤1.2

f_a

1 ）圆形基础承受偏心荷载时

Pkmax=

A_C =τr₁

根据高耸规范附录C，e/r₁=0.25时基础实际受压宽度为2 r₁，未脱开；e/r₁>0.43时表示基础脱开面积已超过25%。

3.3基底允许脱开面积的验算

根据风机基础规定第8.1.4条：

各计算工况基底允许脱开面积指标

计算工况	基底脱开面积AT/基底面积A（100%）
正常运行荷载工况 多遇地震工况	不允许脱开
极端荷载工况	25%

对圆形基础， 根据高耸规范附录C，e/r₁=0.25时基础实际受压宽度为2 r₁，未脱开；e/r₁>0.43时表示基础脱开面积已超过25%。

3.3.1 极端荷载工况下的验算

于极端荷载工况当中，基底呈现为偏心受压状态，借助偏心距大小，来确定基底的偏心状态，经计算能够得出基底受压面积宽度A。_c,近而根据几何关系计算得出基底脱开面积A_T。

3.3.2 多遇地震工况下验算

（一般而言，在正常运行的工况状况下而以及多遇地震的工况情形作用之际，将内力去展开对比，针对于多遇地震这样的工况状况下，荷载组合会显得更为不利一些，因而选取多遇地震工况状况时的内力来施行计算 ）。

根据高耸规范7.2.2条，基础承受偏心荷载作用时，

 

如果p_kmin＞0，即满足多遇地震工况下基底不允许脱开的要求。

3.4 地基变形计算

按照风电场地质勘察报告，去获取压缩模量、土层厚度、土壤重度等这类土层参数，从中挑选出风机基础下地质条件最为不利的那一个孔位，运用分层总和法来开展地基变形计算。

3.5 稳定性计算

3.5.1 基础抗滑稳定性验算

基础抗滑稳定性验算，按照风机基础规定 7.2.9 条，要分别对正常运行荷载工况进行验算，还得对极端荷载工况进行验算，并且要对多遇地震工况进行验算，这三种情况，荷载组合选取基本组合。

按照风机基础所规定的8.5.2条，对于抗滑稳定而言，处于最危险滑动面，也就是弧形滑移面之上的抗滑力，以及滑动力，应当要满足下面这个式子所提出的要求：

≥ 1.3　

。

根据高耸规范7.4.6条及风机荷载特点：

F_R= μ（F_zk+G）_·k₀

F_S=F_rk·k₀

依据风机基础规定当中的7.2.9条，基础抗倾覆稳定性的验算，需要分别针对正常运行荷载工况来计算，还要针对极端荷载工况进行计算，并且要针对多遇地震工况展开计算，这三种不同的情况，荷载的组合应该选取基本组合。

根据风机基础规定8.5.2条，抗倾覆验算应满足：

≥ 1.6　　　　　　　　　　

 

根据风机基础受力特点，抗倾力矩由上部结构传来的竖向力F_zk基础及其上覆土的重力G会产生相应作用，倾覆力矩是由上部结构传来的水平合力矩M所导致的 。_rk及上部结构传来的水平合力F_rk产生的力矩构成，并应用荷载修正安全系数k₀对倾覆力矩进行修正。

3.5.3罕遇地震下的稳定性验算

在进行与罕遇地震相关联的基础抗滑稳定性、以及抗倾覆稳定性的验算操作时，其荷载组合选取偶然组合，荷载分项系数设定为1.0，随后依据本文之中的3.5.1节以及3.5.2节来开展验算工作，并且同时要满足风机基础所规定的8.5.3要求， 。

1）抗滑稳定最危险滑动面上的抗滑力与滑动力应满足下式要求：

≥ 1.0　　　　　　　　　　

 

2）针对沿基础底面的抗倾覆稳定展开计算，其最危险的那种计算工况，应当要满足下面这个式子所提出的要求：

　　　　　　　　　　　 ≥1.0　　　　　　　　　　

3.6基础截面及配筋设计

按照风机基础规定当中的7.2.9条，基础截面以及配筋设计涵盖了截面抗弯验算，还包括斜截面抗剪验算，另外有截面抗冲切验算等这三项内容，并且其中每项都应该分别去验算正常运行荷载工况，同时要验算极端荷载工况，还要验算多遇地震工况这三种情况，而且荷载组合选取基本组合。

3.7裂缝宽度验算

按照《混凝土结构设计规范》（GB50010 - 2010）（以下简作混规）里相关要求，来开展基础裂缝宽度验算，此裂缝控制等级判定为三级 ，计算过程依据混规7.1.2条来施行 。

按照风机基础定下的规定当中的7.2.9条，裂缝宽度方面的验算得分别做不同情况的验算，像是正常运行时候的荷载工况，还有极端荷载的工况并包括多遇地震的工况这三种情形。并且，荷载组合选取的是标准组合，而（混规所给出的要求是荷载组合要取准永久组合） 。

3.8基础疲劳强度验算

按照风机基础规定当中的7.2.9条，基础疲劳强度的验算应当是在疲劳强度验算的工况之下来开展，荷载的组合选取标准组合呢。依据混规的6.7.4条以及6.7.5条，选取单位弧长去做计算，验算的部位涵盖了基础根部截面以及基础台柱截面 。

σ^f_c,max≤f^f_c

Δσ^f_si≤Δf^f_y

如下图纸部分呈现的，是针对某风力发电机组，具体为77/1500型号，其轮毂高度设定为65m的风电场基础图 。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

某风机基础平面图

 

 

 

 

 

 

 

 

1-1剖面

4 基础选型

 

风机基础形式包含正八边形扩展基础，圆形扩展基础，肋梁式扩展基础，预应力锚杆墩基础（类似大直径桩基），承台桩基础，岩石锚杆基础，应用于沿海软土地基和内陆湿地的全预应力基础，预制预应力圆筒基础等，现阶段个人认为比较常用的有正八边形扩展基础，圆形扩展基础，肋梁式扩展基础，从本质来讲，正八边形扩展基础与圆形扩展基础并非有本质区别，只是风机基础设计发展进程中设计人员所采用的两种截面形式 。如果地基承载力达标符合了设计要求，那么两者之中能够随意挑选其一。肋梁的形式对于基础而言有着优势，相较于正八边形以及圆形扩展基础，它能够节省约百分之四十至百分之五十上下的混凝土，使用钢材的数量基本是一样的，然而模板的工程量会比较大，基础施工的周期也会略微长一些。要是天然地基承载力无法达到设计要求，那就能够选用复合地基，或者是承台桩基础。岩石锚杆基础需要放置在较为完整的岩体之上，并且要和基岩连接成为一个整体。

 

5 结束语

 

在风电场建设成本里头，土建成本所占的比例是不足百分之十的，可是呢，风机基础却保障着重大设备也就是风机能够安全稳定地运行。风机基础的设计计算过程是复杂的，并且主要是依赖于人工去计算。在设计过程当中基础的安全性是应该放在首位的，然后才是经济性，要规避因为基础环与基础连接不够、基础台柱与基础底板整体性不强、基础底面积不足而造成整体倒塌等那些已经出现过的工程事故。风机基础是应该能够经受恶劣天气、极端荷载的考验的，以此确保国家及人民重大财产的安全。

因个人理论水平处在有限状态，致使本文存在诸多地方未被研究得透彻，还望各位同仁予以谅解，本人会持续关注风机基础的发展情况。