摘要：目前大多数风电场基础形式多为圆形或方形的钢筋混凝土独立基础.由于风电机组长期受风力作用的影响，基础经常承受较大的偏心荷载，于是对风电场基础的设计提出了很高的要求.但目前我国风电场基础设计大多都是仿照国外的例子，设计方法比较混乱，存在着很多问题，而且对这两种形式的基础也没有系统的比较.
关键词：基础；桩基；灌注桩
前言：通过设置基础环与混凝土、钢筋混凝土基础与地基间的接触，模拟其间可能的脱开、滑动等，分析了接触问题对风机基础有限元分析的影响，以便为我国风机基础设计提供参考。
1基础选型
风机受力状况和荷载性质有别于其它一般高耸建（构）筑物，风机基础所承受的风荷载（弯矩）较大，基础底面将承受较大的偏心荷载，抗倾覆验算和不均匀沉降要求高，考虑深基础桩基。
2桩基设计
2.1桩的类型选择
根据场地土层的结构特征，适宜本工程场地地层条件的桩基础可用桩型有预制桩和钻孔灌注桩，设计应按建筑物结构类型、载荷性质，施工经验和制桩材料的供应条件，选择经济、安全适用的桩型和成桩工艺。从风机基础土的工程地质条件分析，为满足风机基础的稳定，桩端入土深度较大，部分需要穿越相对密实薄层砂性透镜体，根据场地钻孔内标准贯入试验情况，采用预制桩时桩的贯入较困难，推荐钻孔灌注桩为本工程风机基础的首选桩型。从风机的荷载性质和要求看，建议采用Φ800桩径的钻孔灌注桩。
2.2桩的参数的选择
单桩竖向极限承载力标准值采用土的物理性质指标和承载力参数之间的经验关系确定，根据采用的桩型，以及场地土层分布、土层埋藏深度、土的性质及原位测试综合确定桩侧极限侧阻力标准值qsik与桩端极限端阻力标准值qpk。
3风电场机组基础设计方法
风力发电机组基础的设计与计算通常包括以下几个方面：基础底面积、基础构造尺寸、抗冲切抗剪验算、配筋计算。这几个方面互相关系密切，往往一个方面的计算需要满足其他几个方面条件的制约。
1.基础底面尺寸计算。（1）估算底板面积。在偏心荷载作用下，方形和圆形风机机组基础尺寸的初步确定同一般承受偏心荷载作用的基础一样，根据基础底面诸力平衡得；
式中，A为基础底面积；r基础及台阶上填土平均重度，通常采用20 kN/m2；f为修正后的地基承载力特征值。根据《地基基础设计手册》塔类基础设计，停产检修或是极端工况的条件下基础在核心区外承受偏心荷载，此时底板局部脱开，如图1阴影部分所示，其偏心距e应控制在下列范围之内。
图1基础底板受压分布
矩（方）形基础：
圆形基础；
B为方形基础底板弯矩作用方向的边长（m）；D为圆形基础底板直径（m）。
（2）计算底板压力。方形基础根据《高耸结构设计规范》，当扩展基础在核心区
以外承受偏心荷载时，且基底脱开基土面积不大于全基底面积1/4时，扩展基础底面最大压力发生在基础边缘处，如图1（a）所示，最大压力按下式计算；
式中，b为基础底板边长（m）；a为合力作用点至基础底面最大压力边缘距离。
圆形基础根据《高耸结构设计规范》要求，基础在核心区外承受偏心荷载，基底面积不大于全部面积的1/4时，圆形基础底面最大压力可按上式计算，最大压力位置如图1（b）所示
式中，r为基础底板的半径；ac为基底受压面积宽度同时两种形式的基础基底压力同时还要满足以下两个条件：
2.基础构造尺寸。风电机组基础混凝土的保护层较一般建筑物基础的厚度大.受拉钢筋锚固长度要求不小于最低限度，受压钢筋的锚固长度为相应受拉钢筋锚固长度的0.7倍.受力钢筋直径一般不小于20 mm.基础顶部一般应该配置承载台面层钢筋和平台顶层钢筋，其直径与底层钢筋相同，间距一般较底层钢筋稍小.
3.抗冲切强度校核。由于基础的抗冲切强度是由基础的高度来确定的，因此当基础在受到风力发电机组传来的荷载作用时，如基础的高度不够，将会发生冲切破坏，即沿基础四周大致成45°方向的斜面拉裂，而形成椎体，为了确保基础不发生冲切破坏，必须使地基反力产生的冲切力小于等于冲切面处混凝土的抗冲切强度。方形基础根据《风电场地基基础设计规定》，基础应验算塔筒基础环与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力，冲切承载力应符合下列规定
式中，F1为相应于荷载效应组合时作用在A1上的地基净反力设计值；A1为冲切时取用部分基底面积；pj地基净反力，偏心受压时，可取最大地基净反力p jm ax；ft为混凝土抗拉设计强度；h0为基础冲切破坏时椎体最不利一侧计算长度；at为基础冲切破坏时椎体最不利一侧斜截面的上边长；ab为基础冲切破坏时椎体最不利一侧斜截面的下边长（m）.圆形基础根据《地基基础设计手册》，及《烟囱设计规范》塔类基础设计符合以下规定；
式中，K为安全系数，取K=2.2；QC为局部荷载，QC
pj为平均地基净反力；Dj底板直径（m）；Dn为圆柱直径（m）；R1为混凝土抗拉强度设计值；SS为冲切破坏圆锥体上部周长（m）；SX为冲切破坏圆锥体下部周长（m）.
4.设计配筋。风力发电机组基础承受偏心荷载，可以理解为如同一块平板那样，此时基础的底板为双向弯曲板，沿基础四周产生弯曲.当弯曲应力超过基础的弯矩强度时，基础底板将发生弯曲破坏.在配筋设计中，最危险截面一般发生在塔架与基础交界处和基础变截面处，其弯矩值计算方法
如下：（1）方形基础根据《风电场地基基础设计规定》，在单项偏心荷载作用下，当台阶宽高比小于或等于2.5和偏心距大于b/6基础宽度时，变截面处弯矩可按下式简化计算；
a1为变高截面处至基底边缘最大反力处距离；a为变截面柱边长，圆形为柱直径；b为基础底边边长，圆形为底边直径；G为基础混凝土及上覆土自重；A为抗弯计算时的部分基底面积.（2）圆形基础根据《烟囱设计规范》，基础底板下部和底板内悬挑上部均采用径环向配筋时，变截面处弯矩按下式计算：
式中，p为外悬挑部分中点处最大压力值，
N为基础顶面垂直荷载；MZ为作用基础地面弯矩；A为基础底面面积；J为基础底面惯性矩；r1为基础底面半径；r2为基础变截面圆柱半径两种形式的基础底板配筋计算，根据底板的受力，各计算截面所需的钢筋面积A，根据《混凝土结构设计规范》（GBJ10 1989）按下式计算
式中，fy为钢筋抗拉强度设计值；h为基础有效高度。
结论：在相同的工况下，设计承受大偏心荷载的风电场机组方形独立基础和圆形独立基础，通过相关方法及计算结果可以看出，方形独立基础底板边缘承受的最大压力要小于圆形独立基础底板边缘最大压力，为168.3∶204.6.当出现底板局部托空基土的情况时，在相同条件下，方形基础底板托空率要小于圆形基础，为0.06∶0.17.由此可见，相同工况下的圆形基础基底反力的分布更不均匀，从而导致最大基底反力较方形基础大，倾斜率较大，为了满足倾斜控制要求，可能需要采用较大的基地底面积.通过计算结果可以看出两种形式的基础在满足设计要求的前提下，混凝土用量，方形基础要略大于圆形基础，约多用混凝土30 m3.但是此时方形基础底板配筋量要远小于圆形基础底板配筋量，大约节省1 t的钢筋，为6.543∶7.897.通过归纳的风电机组基础的设计方法计算结果可以看出在满足规范要求的前提下方形基础要较圆形基础更经济合理。
参考文献：
[1]张杰.探讨风力发电机组塔架桩基础方案设计究.2017.
[2]李晓鹏，浅谈风力发电机组基础设计分析.2017.
论文作者:徐少峰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：基础论文; 底板论文; 荷载论文; 底面论文; 圆形论文; 偏心论文; 方形论文; 《基层建设》2019年第2期论文;