风电机组预应力锚栓基础局部承压分析

刘 嫔,张立英,崔振磊,付志强

(中国电建集团西北院勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)04—0099—03

风电机组预应力锚栓基础局部承压分析

刘 嫔,张立英,崔振磊,付志强

(中国电建集团西北院勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

风电机组预应力锚栓基础在预压力作用下，锚固区混凝土将承受较大的局部压力。文章对锚固区混凝土的局部压应力、局部受压区的截面尺寸和局部受压承载力进行了验算分析，对预应力锚栓基础的设计具有参考价值。

预应力锚栓;塔架基础；混凝土；压应力；截面尺寸；承载力；风力发电

0 前 言

风能是一种清洁、安全、永续、绿色无污染的可再生新兴能源，而风能发电技术是一项综合性技术，涉及多个学科和多种领域。其中风电机组基础的构建是风电场建设的重要环节，是风电机组结构的重要组成部分，它承担着将上部结构所承受的全部荷载和作用有效地传递到地基，并保持结构整体稳定的作用[1]。与一般的建筑结构不同，风电机组基础具有承受360°方向重复荷载和大偏心受力的特殊性，对地基的要求高[2]。如果风机基础设计不合理或地基处理不当将直接影响风机安全，造成不可估量的损失。

目前中国风电主机生产厂家采用的风电机组基础过渡段连接方案有预应力螺栓连接和基础环连接2种型式。基础环连接方式的风机基础工程设计经验较为丰富，施工技术也比较成熟。但基础环直径大，相对埋深浅，受力机理不明确，基础环与顶面混凝土的防水密封以及下法兰附近的应力集中问题是该结构型式的薄弱环节，已经有此类问题引起的工程事故发生。预应力螺栓连接方式的风机基础受力特性明确，吸能性能更好，加工周期短，正在进一步推广，然而，由于预压力的作用，锚固区混凝土将承受较大的局部压力，若设计或施工处理不当，构件将产生较大的裂缝，甚至会将混凝土局部压碎。因此，研究风电机组预应力螺栓基础的局部受力情况对风机在服役期内的安全与使用有着非常重要的意义。

1 计算方法

风电机组基础过渡段采用预应力螺栓连接方式时，施加预应力后，基础有3个部位混凝土将承受较大的局部压力，因此需对塔筒T形法兰下的高强灌浆、高强灌浆下部以及下锚板上部混凝土局部受力情况进行分析。本文根据相关规范，并结合工程实例说明了预应力螺栓连接方式的风电机组基础内部混凝土的局部压应力、局部受压区截面尺寸和局部受压承载力的验算方法。

1.1 基本资料

由塔筒厂家提供的上部结构荷载作用于塔筒底部的T形法兰上，竖向荷载Fzk，水平向荷载Frk，弯矩Mrk，扭矩Mzk；T形法兰外直径D1，内直径D2，厚度t1；高强灌浆外直径D3，内直径D4，厚度t2；锚栓数目n，预拉力Pa，锚栓直径d1，锚栓孔直径d2，外圈螺栓分布半径r1，内圈螺栓分布半径r2；下锚板外直径D5，内直径D6，厚度t3。

1.2 计算内容

1.2.1 局部压应力计算

环形构件承受偏心荷载作用时，构件底面压应力可按下列公式计算，见图1。

图1 压应力计算示意图

(1)

(2)

图2 局部抗压计算示意图

式中：Fz为荷载效应基本组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力设计值，Fz=1.2×Fzk；Pa为预应力锚栓的预拉力；A为环形构件底面面积；Mr为荷载效应基本组合时，作用于基础底面的力矩合力设计值，Mr=1. 5×Mrk；W为环形构建的截面抵抗矩；σmax为荷载效应基本组合时，基础底面边缘的最大压应力值；σmin为荷载效应基本组合时，基础底面边缘的最小压应力值。当计算下锚板上部混凝土压应力时，公式(1)、(2)可简化为：

(3)

1.2.2 局部受压区的截面尺寸验算

配置间接钢筋的混凝土结构构件，其局部受压区的截面尺寸应符合下列要求[4]，计算附图如图2所示。

Fl≤1.35βcβlfcAln

(4)

(5)

式中：Fl为局部受压面上作用的局部压力设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；βc为混凝土强度影响系数，按文献[4]第6.3.1条的规定取用；β1为混凝土局部受压时的强度提高系数；Al为混凝土局部受压面积；Aln为混凝土局部受压净面积，在混凝土局部受压面积中扣除孔道的面积；Ab为局部受压的计算底面积,按文献[4]第6.6.2条确定。

1.2.3 局部受压承载力验算

配置方格网式或螺旋式间接钢筋的局部受压承载力应符合下列规定[4]：

Fl≤0.9(βcβlfc+2αρvβcorfyv)Aln

(6)

1.3 工程实例

某风电场选用单机容量为3.0 MW的某厂家风机，上部结构传至塔筒底部的正常运行荷载和极端荷载见表1。

表1 作用于3.0 MW风机塔筒底部的荷载及风机

图3 风机基础尺寸图 单位：mm

结合本风场的相关资料，根据厂家提供的3.0 MW直驱风电机组荷载资料、锚笼环资料，以及工程地质资料，对风机基础进行设计。在满足结构和构造要求条件下，确定风机基础体型为高3.96 m的钢筋混凝土浅埋式基础。基础底部为直径20.8 m、高1.0 m的圆柱；中间为底面直径20.8 m、顶面直径6.4 m、高1.7 m的圆台；上部为直径6.0 m、高1.26 m的台柱，基础采用C40混凝土，高强灌浆抗压强度为60 MPa,具体基础尺寸见图3。

筒下部T形法兰外直径D1=4 638 mm，内直径D2=3 842 mm，t1=120 mm；高强灌浆外直径D3=4 838 mm，内直径D4=3 642 mm，厚度t2=90 mm；锚栓数目n=188，预拉力值Pa=680 kN，锚栓直径d1=48 mm，锚栓孔直径d2=51 mm，外圈螺栓分布半径r1=2 215 mm，内圈螺栓分布半径r2=2 025 mm；塔下锚板外直径D5=4 650 mm，内直径D6=3 850 mm，厚度t3=60 mm。

本工程风电机组预应力锚栓基础在极端荷载工况下，各部位的局部承压计算结果见表2。

表2 风机基础承压计算结果统计表

由表2可知：① 风电机组预应力锚栓基础内高强灌浆和高强灌浆下主体混凝土在极端荷载工况下出现最大压应力，下锚板上部主体混凝土在施加预拉力后出现了最大压应力。② 在极端荷载工况下，高强灌浆和高强灌浆下主体混凝土的最小压应力均大于0，说明T形法兰与高强灌浆接触面、高强灌浆与主体混凝土接触面均处于纯压状态，接触面未脱开。说明本工程所施加的预拉应力大小合理且经济。③ 通过对高强灌浆、高强灌浆下主体混凝土、下锚板上部主体混凝土的局部压应力、局部受压截面尺寸和局部受压承载力进行验算，验算结果表明，这几个部位的局部压应力、局部受压截面尺寸和局部受压承载力验算均能满足文献[4]要求。

2 结 语

风电机组预应力锚栓基础需对高强灌浆、高强灌浆下主体混凝土和下锚板上部主体混凝土进行承压分析。本文提供了一种风电机组预应力锚栓基础压应力计算、局部受压截面尺寸和局部受压承载力的验算方法，并结合实例加以说明，对预应力锚栓基础的设计有一定的参考价值。

[1] 马人乐,孙永良,黄冬平.风力发电塔井格梁板式预应力锚栓基础设计研究[C]//第18届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ册,2009.

[2] FD003-2007,风电机组地基基础设计规定(试行)[S].北京：中国水利水电出版社,2007.

[3] GB50135-2006,高耸结构设计规范[S].北京：中国计划出版社,2006.

[4] GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

Analysis on Local Pressure of Prestressed Anchor Bolts Foundation of Wind Turbine Generator

LIU Pin, ZHANG Li-ying, CUI Zhen-lei, FU Zhi-qiang

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

The prestressed anchor bolts foundation of the wind turbine generator, under the pre-pressure, results in the higher local pressure on the concrete in the anchoring area. In the paper, the local compressive stress, section size of the local compressive area, and the local compressive bearing capacity of the concrete in the anchoring area are calculated and analyzed. This provides the design of the prestressed bolts concrete with reference.Key words: prestressed anchor bolt; tower foundation; concrete; pressure stress; section size; bearing capacity; wind power

2015-03-10

刘嫔(1986-)，女，陕西省渭南市人，助理工程师，主要从事风电土建设计工作.

TM614;TU476+.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.025