风电机组桩基圆形承台设计计算

（中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南 郑州 450007）

0 引言

近年来我国风电开发迅速发展，目前单机容量2.5MW风电机组在平原地区广泛应用，平原地区风机轮毂高度大，风机基础需承受巨大的弯矩荷载，而竖向荷载和水平荷载相对较小，基础常采用桩基圆形承台的基础形式。目前风电机组基础设计采用规范[1]，该规范要求承台应满足抗冲切、抗剪切、抗弯承载力的要求[1]，但规范[1] ～[3]仅给出矩形承台的正截面弯矩、受冲切承载力和斜截面受剪承载力的计算公式，对圆形承台没有明确规定。

文献[4]提供了圆形承台受弯承载力的计算方法，文献[5]提出了圆形扩展基础冲切计算的简化模型，文献[6]给出了圆形风机基础承台有限元分析方法，文献[7]提供了圆形桥墩承台的设计方法，文献[8]给出了圆形角桩对矩形承台冲切的计算方法。由于现行规范无圆形承台的具体设计方法，实际工程设计中很难操作，为此，本文推导了风电机组桩基圆形承台的抗弯计算、抗冲切验算和斜截面抗剪验算的计算公式，并将其应用于实际工程进行验证。

1 计算公式

风电机组桩基础和圆形承台如图1、2所示。圆形承台底面半径R1，外缘高度h1，棱台高度h2，台柱半径R2，其高度h3，台柱顶至承台底的高度为H；两圈桩，桩径d，外圈桩布置半径r1，桩数n1，内圈桩布置半径r2，桩数n2。

1.1 桩顶竖向力

平原风电机组一般采用低桩承台，承台计算时可不考虑承台及其上土重。

不计承台及其上土重，荷载效应基本组合下，桩顶竖向力计算公式：

式中，Fzk为上部结构传来的竖向力；Frk为上部结构传来的水平力；Mrk为上部结构传来的水平力矩；γz为荷载分项系数，计算承台底部弯矩时，取1.2，计算承台顶部弯矩时，取1.0，抗冲切验算和斜截面抗剪验算时，取1.2；γm为荷载分项系数，抗弯计算、抗冲切验算、斜截面抗剪验算时，取1.5；xi为桩x坐标，外圈桩xi=r1∗cosθi，内圈桩xi=r2∗cosθi；θi为桩与承台中心连线与Y轴正向的夹角。

1.2 抗弯计算

不计承台及其上土重，荷载效应基本组合下，承台底部的一半桩基受压而另一半桩基受拔，即图1中y≥0的桩受压，y＜0的桩受拔。

（1）承台径向弯矩

圆形承台径向弯矩计算截面取台柱边缘，应分别计算承台底部和承台顶部径向弯矩，计算公式：

（2）承台配筋面积

承台径向钢筋面积可根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）正截面受弯承载力计算求得，环向钢筋按构造配筋。径、环向钢筋单侧纵向钢筋的最小配筋率不小于0.2%[1]。

1.3 抗冲切验算

桩基圆形承台应验算台柱对承台的冲切和角桩对承台的冲切。

图1 圆形承台外形尺寸图

图2 桩基平面布置图

（1）台柱对承台的冲切

风电机组内圈桩边与台柱边缘的距离一般大于台柱根部的承台厚度，故台柱对承台的冲切破坏锥体采用台柱边缘向下的45°锥体。

（2）角桩对承台的冲切

风电机组外圈布桩紧凑，桩间净距s，s/2常小于角桩向上冲切的45°锥体侧面顶边与底边之间的水平距离，故角桩对承台的冲切破坏锥体取图2所示的1-2-3圆弧。

1.4 斜截面抗剪验算

桩基圆形承台应对台柱边缘和桩边连线形成的贯通承台的斜截面进行抗剪验算，对图1中的斜截面1-1、1-2分别进行抗剪验算。

2 工程算例

某风电场采用2.5MW风机，基础采用桩基圆形承台，R1=10m，R2=3.4m，h1=1.0m，h2=1.7m，h3=1.0m，r1=9.4m，r2=6.7m，n1=24，n2=16，d=0.6m。极端荷载工况的载荷Fzk=6146.9kN，Frk=836.4kN，Mrk=111904kN。混凝土C40，钢筋HRB400。

2.1 桩顶竖向力

不计承台及其上土重，γz=1.2，γm=1.5时的桩顶竖向压力、γz=1.0，γm=1.5时的桩顶竖向拔力见表1。

表1 桩顶竖向力设计值

备注：外圈桩N1～N24，内圈桩N25～N40，桩编号随Y轴逆时针旋转递增。

2.2 抗弯计算

台柱边缘承台底部径向抗弯计算：

台柱边缘承台顶部径向抗弯计算：

2.3 抗冲切验算

（1）台柱对承台的冲切

（2）角桩对承台的冲切

综上，承台抗冲切承载力满足要求。

2.4 斜截面抗剪验算

（1）1-1斜截面

（1）1-2斜截面

综上，承台的斜截面抗剪承载力满足要求。

3 结语

本文根据相关理论，推导了一种用于风电机组桩基圆形承台抗弯计算、抗冲切验算和斜截面抗剪验算的计算公式，并通过对实际工程计算，验证了此方法的可行性。该方法计算结果合理，操作简单方便，对风电机组桩基圆形承台的设计具有一定的参考意义。