用于风电机组塔架基础设计的WTF V6.0软件

韩彦宝，翟三社，张立英

（1. 北京木联能软件技术有限公司，陕西 西安 710065；2. 中国建设银行股份有限公司 陕西省分行，陕西 西安 710002；3. 中国水电顾问集团 西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065）

风电机组塔架地基基础设计软件V6.0（简称WTF软件）是FD003—2007《风电机组地基基础设计规定（试行）》的配套软件，并扩充了其中的基础形式，涵盖了国内陆上风电场常用的基础形式，是一套专门为陆上风电场地基基础设计而研发的软件。通过7年的实践检验和升级调整，目前WTF软件得到国内60多家大型水利、水电、电力勘测设计、咨询单位的认可。

FD003—2007《风电机组地基基础设计规定（试行）》[1]试行的7年中，也是中国风电高速发展的7年，大量的风电机组地基基础设计、投产为我们软件升级提供了许多宝贵的实践资料；同时，混凝土结构设计规范GB50010—2010[2]、《建筑地基基础设计规范》GB5007—2011[3]等许多相关规范的更新发布对我们的软件升级也提出了新的要求。扩展基础和桩基础的计算方法之前已有详细论述[4]，本文主要以圆形肋梁基础和圆形岩石锚杆基础2个计算模块来阐述软件的设计理论，同时增加一些重要升级功能点及参数选择的说明。

1 计算原理

1.1 圆形肋梁基础

圆形肋梁基础（又称格构式基础）设计流程图见图1。

1.1.1 基础尺寸及荷载参数

1）基础尺寸示意图如图2，基本参数数据包括：基础底板半径、基础台柱半径、塔筒直径、基础底板厚、台柱高度、基础法兰至台柱顶高度、基础埋深、肋梁宽、肋梁悬挑根部高、肋梁悬挑外缘高、肋梁长度、肋梁个数、环梁宽、环梁高、基础混凝土强度等级、钢筋强度等级、覆土容重、混凝土容重、混凝土保护层厚度和地下水埋深。

图1 圆形肋梁基础设计流程示意图Fig. 1 Process diagram of the circular rib beam-based design

图2 圆形肋梁基础尺寸示意图（单位：mm）Fig. 2 Schematic diagram of the circular beam foundation size（Unit: mm）

2）岩土力学参数包括：土层名称、土层厚度、重力密度、压缩模量、内聚力、摩擦角、承载力特征值、宽度承载力修正系数、深度承载力修正系数和地基抗震承载力修正系数。

3）荷载情况。作用在基础上的荷载主要有风机上部结构传至塔筒底部的荷载水平力Fx和Fy（两者合成Fr），水平弯矩Mx和My（两者合成Mr），竖向力Fz，扭矩Mz，以及基础自重G1、回填土重G2、多遇地震作用Fe1和罕遇地震作用Fe2等。荷载效应组合考虑标准组合（含修正标准值）、基本组合和偶然组合。荷载工况有正常运行荷载工况、极端荷载工况、多遇地震工况、罕遇地震工况和疲劳强度验算工况。荷载效应组合、荷载工况和考虑的主要荷载以及采用基本组合时，主要荷载的分项系数均严格按照FD003—2007规范《风电机组地基基础设计规定（试行）》[1]中相关要求计算。

1.1.2 设计原理

风电机组地基基础设计实践中，由于扩展基础混凝土体积庞大，混凝土用量较大，从节省投资节约成本的角度出发，设计了肋梁基础。从图2可以看出，肋梁基础相当于在原来的扩展基础上，“挖”去了几个扇形面积的混凝土块，这部分空间用覆土压密回填来“充当”原混凝土的作用。满足设计要求的肋梁基础既节省了混凝土用量，又“回收”了基础开挖的部分覆土，一举两得。基于此原理设计的基础，可以算是一种特殊的扩展基础。所以其设计步骤和文献[4]基本相似。不同之处在于此类基础地基反力通过底板传力给肋梁，肋梁为主要受力结构，基础受力明确，但配筋率有一定的增加。

肋梁基础的底板配筋以构造配筋为主，按文献[3]最小配筋率0.15%配置。另外，肋梁基础多了在肋梁和环梁处的配筋。配筋类型分肋梁和环梁的底面和顶面配筋，肋梁和环梁的构造配筋，分水平分布筋、拉筋、箍筋。

肋梁底面配筋，按悬臂梁构件考虑，算出基底反力作用下悬臂梁承受的弯矩，按此弯矩要求配筋；肋梁顶面，按基础自重（含覆土）算出的弯矩减去基底反力作用下产生的弯矩结果来配筋，若结果为负，顶面受压，满足最小配筋率的构造要求即可；若结果为正，顶面受拉，按受拉要求配筋，不受最小配筋率0.2%的要求限制。

环梁底面、顶面配筋按最小配筋率0.2%要求设计。

肋梁和环梁构造配筋中，水平筋和拉筋按构造要求配，不得小于0.2%；箍筋按最小配筋率公式（0.24ft/fyv）要求设计[2]。

1.2 圆形岩石锚杆基础

圆形岩石锚杆基础计算流程图如图3所示。

1.2.1 基础尺寸及荷载参数

1）基础尺寸示意图如图4所示，基本参数数据包括：基础底板半径、基础棱台顶面半径、基础台柱半径、塔筒直径、基础底板外缘高度、基础底板棱台高度、台柱高度、上部荷载作用力标高、基础埋深、基础混凝土强度等级、钢筋强度等级、覆土容重、混凝土容重、混凝土保护层厚度和地下水埋深。锚固参数包括：锚杆直径、锚杆孔直径、锚杆插入混凝土基础结构的长度、锚杆的有效锚固长度、砂浆与岩石间的粘结特征值、锚杆数。

岩土力学参数和荷载情况同1.1.1节的2）和3）。

1.2.2 设计原理

岩石锚杆基础较传统的扩展基础增加了锚杆部分，在场地岩石钻孔，然后放入锚杆并灌浆，让锚杆与基础及岩石之间有可靠的连接。利用锚杆的拉力来抵抗上部结构产生的偏心拉力，从而有效地缩小了基础底面积，该基础的造价在诸多基础形式中最低，有较大的经济优势[5]。因此在山地风电场中，特别是基础岩性较好的区域，建议采用岩石锚杆基础。

由于基岩地基承载力高，所以此类基础一般不做承载力复核和沉降计算。锚杆基础应与基岩连成整体，并应符合下列要求：

1）锚杆孔直径，宜取锚杆直径的3倍，但不应小于1倍锚杆直径加50 mm。锚杆基础的构造要求，可按图5采用；图5中，d1为锚杆孔直径；l为锚杆的有效锚固长度；d为锚杆直径。

图5 岩石锚杆基础（单位：mm）Fig. 5 Rock bolt foundation drawing（Unit:mm）

2）锚杆插入上部结构的长度，应符合钢筋的锚固长度要求。

3）锚杆宜采用热轧带肋钢筋，水泥砂浆强度不宜低于30 MPa，细石混凝土强度不宜低于C30。灌浆前，应将锚杆孔清理干净。

基础设计时关键问题就是确定基础底板平面尺寸。设计人员根据设计经验初步拟定基础平面尺寸；对锚杆抗拔和抗剪强度进行验算、对基础抗倾覆稳定性复核、进行底板尺寸合理性初判；初判合格后，进行基础抗弯配筋、基础底板抗冲切和抗剪计算、裂缝宽度验算、疲劳验算，通过以上计算最终确定底板尺寸。

其中，基础的抗倾覆稳定性采用荷载修正标准值；锚杆的抗拔和抗剪强度选用荷载设计值。

底板配筋和裂缝宽度计算。只进行极端荷载工况下的底板配筋计算。分别进行极端荷载工况和正常荷载工况下的裂缝宽度验算，并满足不同的要求。配筋计算选用荷载设计值（标准值乘分项系数），软件只提供底板悬挑根部的配筋计算和裂缝宽度复核。配筋方式有正交配筋和径环向配筋。配筋计算参考文献[6]进行，台柱的偏压配筋参考混凝土结构设计规范GB50010—2010附录E0.4条。

1.3 主要升级功能点

1.3.1 扩展基础多遇地震工况脱开控制问题

FD003—2007《风电机组地基基础设计规定（试行）》8.1.4节规定：多遇地震工况下基底脱开面积/基底面积不允许脱开。

文献[7]4.2.4节规定“高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现脱离区（零应力区）；其他建筑，基础底面与地基土之间脱离区（零应力区）面积不应超过基础底面面积的15%”。风机塔筒不属于高层住宅建筑，用零脱空规定约束风机基础过于严格，应该属于“其他建筑”类型。

文献[8]7.1.2节规定：“4输电高塔、观光塔、带有旅游功能的电视塔基础底面在地震作用下不宜出现零应力区，其他各类塔基础底面在考虑抗震设计组合时允许部分脱开地基土。5基础底面允许部分脱开地基土的面积应不大于底面全面积的1/4。”文献[8]的总则里写到，本规范是适用于风力发电塔等构筑物的设计的，在上述提到的“其他各类塔”的范围内，此条规定更适用于风机基础设计。

随着风机单机容量的不断增大，塔架高度和机舱、轮毂等主要构件重量不断增大，地震作用效应愈加明显，在7度、8度地震烈度下，多遇地震荷载已接近极端荷载，仍按基底不能脱空来要求，已经成为了风机基础设计的控制性指标，远大于由极端工况控制的设计体型，加大基础工程量。在工程设计时，大机组风机设计甚至出现了6度地震也成为控制工况的问题，显然“多遇地震工况不允许出现脱空”的规定已经不合理。

基于上述理由，软件从V4.4版本开始提供多遇地震工况基础脱开的（脱开面积小于0.25）计算，供用户设计时参考；同时用户也可以调整基础尺寸，在多遇地震不脱开的条件下进行计算。

1.3.2 地震荷载计算问题

V4.0以前的版本，地震烈度最小为6.5度。根据《风电场工程等级划分及设计安全标准》8.0.5条款抗震设防烈度为6度时，对乙、丙、丁类建筑物可不进行地震作用计算，同时应符合GB50223—2004和GB50011—2010的要求。根据文献[7]的1.0.2条款可知，6度建筑必须进行抗震验算；另外，实践中也有6度为控制工况的实例。所以，V4.0以后的版本增加了6度情况下的抗震验算。

软件客服工作中，用户经常问的一个问题就是多遇地震与罕遇地震阻尼比的选取。依据文献[7]的8.2.8条款，多遇地震取0.03，罕遇地震取0.05；文献[9]建议取0.03（按钢管混凝土结构考虑）、按钢结构考虑取0.02，罕遇地震取0.05；文献[10]4.3.3条款建议取0.02，罕遇地震取0.05；同济大学土木工程学院建筑工程系马人乐教授在文章《风电机组塔筒模态的环境脉动实测与数值模拟研究》中建议取0.017左右合理。综合考虑，建议阻尼比多遇地震取0.02，罕遇地震取0.05。

1.3.3 GB50010—2010《混凝土结构设计规范》对软件升级的要求

文献[2]4.2.1和4.2.6条文对钢筋的使用和钢筋疲劳应力幅值做了一定的调整，软件中所有基础形式根据此条文做了调整，使得计算结果更加精细。

文献[2]6.2.17条文，要求偏压计算中偏心距不再乘偏心距增大系数，软件中所有基础形式的台柱偏压计算根据此条文做了调整。

文献[2]6.3.4条文，带箍筋抗剪计算时公式6.3.4-2的第二项不再乘系数1.25。肋梁基础根据此条文做了调整。对肋梁抗剪要求有所提高。

1.3.4 地基土抗弯刚度复核

根据风机厂家提供的计算参数，对地基土的抗倾覆（抗弯）刚度有一定的要求。但是风机规范中没有对该项计算做出说明。目前软件参考文献[11]的3.3条款对该项计算进行了复核。以往设计人员一般不考虑此项计算，但风机厂家的荷载数据是基于一定的地基抗倾覆刚度来获得的，如果基础抗倾覆刚度不满足风机厂家要求，则基于设计人员的风机基础上的荷载分析就没有任何意义。

1.3.5 桩基基础内力变形计算

V6.0以前的版本，桩基基础内力变形计算只采用文献[12]附表C.0.3-3高承台算法。桩基规范C.0.4条款说明：承台底面土层为液化层时，不考虑承台侧面土体的弹性抗力和承台底土的竖向弹性抗力与摩阻力；承台底面与承台底面下土体可能发生脱离时，2种情况宜用高承台算法计算桩基的内力变形计算。可见，对于上述两项条款外的风电机组桩基基础，宜用附表C.0.3-2低承台算法。软件在6.0版本中增加了低承台算法以及风电机组地基基础设计规定9.3.2条款计算方法，方便用户依据工程实际情况选择合理的计算方法。

工程实践中，扩底灌注桩由于其特有的优势也是常用基础形式之一[13]，软件在V6.0中增加了扩底灌注桩的相关计算，方便用户进行各方案比选。

2 结语

WTF软件是FD003—2007的配套和扩充。软件建模方便，计算结果符合规范要求，能够有效节约风电地基基础设计人员的时间成本，固化计算过程，使其摆脱繁琐的公式计算，提高设计效率，促进风电地基基础设计工作的标准化、规范化。目前国内有60多家大型水利、水电、电力勘测设计、咨询单位在使用WTF软件。

[1] 水电水利规划设计总院.FD 003—2007 中国标准书号[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50010—2010 中国标准书号[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50007—2011 中国标准书号[S]. 北京：中国计划出版社，2012.

[4] 陈永安，陈观福，阎坤，等. 用于风电机组塔架地基基础设计的WTF软件[J]. 水力发电，2009，35（8）: 72-76.CHEN Yong’an，CHEN Guanfu，YAN Kun，et al.Software for wind turbine tower foundation design[J]. Water Power，2009，35（8）: 72-76（in Chinese）.

[5] 康传芳，汤镇宗. 山地风电场风机基础优选方案探讨[J].安徽建筑，2012（3）: 102-103.KANG Chuanfang，TANG Zhenzong. Study on selecting favorable project in fan foundation for wind farm around hills[J].Anhui Architecture，2012（3）:102-103（in Chinese）.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50051—2013中国标准书号[S]. 北京：中国计划出版社，2013.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50011—2010中国标准书号[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[8] 上海市建设和交通委员会. GB50135—2006 中国标准书号[S]. 北京：中国计划出版社，2007.

[9] 刘大海，杨翠如. 高楼刚结构设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[10] 同济大学，上海市金属结构行业协会. CECS 236:2008.中国标准书号[S]. 北京：中国计划出版社，2008.

[11] 机械工业部设计研究院. GB50040—96 中国标准书号[S].北京：中国标准出版社，1997.

[12] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 94—2008 中国标准书号[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[13] 张学奇. 某风电场风电机组地基基础方案比选研究[J].电网与清洁能源，2013，29（9）: 81-86.ZHANG Xueqi. Research on comparison and selection of foundation schemes for wind generators in one wind power plant[J]. Power System and Clean Energy，2013，29（9）:81-86（in Chinese）.