劉 嬪,張立英,崔振磊,付志強(qiáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北院勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)04—0099—03

風(fēng)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)局部承壓分析

劉 嬪,張立英,崔振磊,付志強(qiáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北院勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

風(fēng)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)在預(yù)壓力作用下，錨固區(qū)混凝土將承受較大的局部壓力。文章對(duì)錨固區(qū)混凝土的局部壓應(yīng)力、局部受壓區(qū)的截面尺寸和局部受壓承載力進(jìn)行了驗(yàn)算分析，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

預(yù)應(yīng)力錨栓;塔架基礎(chǔ)；混凝土；壓應(yīng)力；截面尺寸；承載力；風(fēng)力發(fā)電

0 前 言

風(fēng)能是一種清潔、安全、永續(xù)、綠色無污染的可再生新興能源，而風(fēng)能發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，涉及多個(gè)學(xué)科和多種領(lǐng)域。其中風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的構(gòu)建是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，是風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它承擔(dān)著將上部結(jié)構(gòu)所承受的全部荷載和作用有效地傳遞到地基，并保持結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的作用[1]。與一般的建筑結(jié)構(gòu)不同，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)具有承受360°方向重復(fù)荷載和大偏心受力的特殊性，對(duì)地基的要求高[2]。如果風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不合理或地基處理不當(dāng)將直接影響風(fēng)機(jī)安全，造成不可估量的損失。

目前中國(guó)風(fēng)電主機(jī)生產(chǎn)廠家采用的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)過渡段連接方案有預(yù)應(yīng)力螺栓連接和基礎(chǔ)環(huán)連接2種型式?；A(chǔ)環(huán)連接方式的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較為豐富，施工技術(shù)也比較成熟。但基礎(chǔ)環(huán)直徑大，相對(duì)埋深淺，受力機(jī)理不明確，基礎(chǔ)環(huán)與頂面混凝土的防水密封以及下法蘭附近的應(yīng)力集中問題是該結(jié)構(gòu)型式的薄弱環(huán)節(jié)，已經(jīng)有此類問題引起的工程事故發(fā)生。預(yù)應(yīng)力螺栓連接方式的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力特性明確，吸能性能更好，加工周期短，正在進(jìn)一步推廣，然而，由于預(yù)壓力的作用，錨固區(qū)混凝土將承受較大的局部壓力，若設(shè)計(jì)或施工處理不當(dāng)，構(gòu)件將產(chǎn)生較大的裂縫，甚至?xí)⒒炷辆植繅核椤Ｒ虼?，研究風(fēng)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力螺栓基礎(chǔ)的局部受力情況對(duì)風(fēng)機(jī)在服役期內(nèi)的安全與使用有著非常重要的意義。

1 計(jì)算方法

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)過渡段采用預(yù)應(yīng)力螺栓連接方式時(shí)，施加預(yù)應(yīng)力后，基礎(chǔ)有3個(gè)部位混凝土將承受較大的局部壓力，因此需對(duì)塔筒T形法蘭下的高強(qiáng)灌漿、高強(qiáng)灌漿下部以及下錨板上部混凝土局部受力情況進(jìn)行分析。本文根據(jù)相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合工程實(shí)例說明了預(yù)應(yīng)力螺栓連接方式的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)內(nèi)部混凝土的局部壓應(yīng)力、局部受壓區(qū)截面尺寸和局部受壓承載力的驗(yàn)算方法。

1.1 基本資料

由塔筒廠家提供的上部結(jié)構(gòu)荷載作用于塔筒底部的T形法蘭上，豎向荷載Fzk，水平向荷載Frk，彎矩Mrk，扭矩Mzk；T形法蘭外直徑D1，內(nèi)直徑D2，厚度t1；高強(qiáng)灌漿外直徑D3，內(nèi)直徑D4，厚度t2；錨栓數(shù)目n，預(yù)拉力Pa，錨栓直徑d1，錨栓孔直徑d2，外圈螺栓分布半徑r1，內(nèi)圈螺栓分布半徑r2；下錨板外直徑D5，內(nèi)直徑D6，厚度t3。

1.2 計(jì)算內(nèi)容

1.2.1 局部壓應(yīng)力計(jì)算

環(huán)形構(gòu)件承受偏心荷載作用時(shí)，構(gòu)件底面壓應(yīng)力可按下列公式計(jì)算，見圖1。

圖1 壓應(yīng)力計(jì)算示意圖

(1)

(2)

圖2 局部抗壓計(jì)算示意圖

式中：Fz為荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力設(shè)計(jì)值，F(xiàn)z=1.2×Fzk；Pa為預(yù)應(yīng)力錨栓的預(yù)拉力；A為環(huán)形構(gòu)件底面面積；Mr為荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，作用于基礎(chǔ)底面的力矩合力設(shè)計(jì)值，Mr=1. 5×Mrk；W為環(huán)形構(gòu)建的截面抵抗矩；σmax為荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，基礎(chǔ)底面邊緣的最大壓應(yīng)力值；σmin為荷載效應(yīng)基本組合時(shí)，基礎(chǔ)底面邊緣的最小壓應(yīng)力值。當(dāng)計(jì)算下錨板上部混凝土壓應(yīng)力時(shí)，公式(1)、(2)可簡(jiǎn)化為：

(3)

1.2.2 局部受壓區(qū)的截面尺寸驗(yàn)算

配置間接鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其局部受壓區(qū)的截面尺寸應(yīng)符合下列要求[4]，計(jì)算附圖如圖2所示。

Fl≤1.35βcβlfcAln

(4)

(5)

式中：Fl為局部受壓面上作用的局部壓力設(shè)計(jì)值；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，按文獻(xiàn)[4]第6.3.1條的規(guī)定取用；β1為混凝土局部受壓時(shí)的強(qiáng)度提高系數(shù)；Al為混凝土局部受壓面積；Aln為混凝土局部受壓凈面積，在混凝土局部受壓面積中扣除孔道的面積；Ab為局部受壓的計(jì)算底面積,按文獻(xiàn)[4]第6.6.2條確定。

1.2.3 局部受壓承載力驗(yàn)算

配置方格網(wǎng)式或螺旋式間接鋼筋的局部受壓承載力應(yīng)符合下列規(guī)定[4]：

Fl≤0.9(βcβlfc+2αρvβcorfyv)Aln

(6)

1.3 工程實(shí)例

某風(fēng)電場(chǎng)選用單機(jī)容量為3.0 MW的某廠家風(fēng)機(jī)，上部結(jié)構(gòu)傳至塔筒底部的正常運(yùn)行荷載和極端荷載見表1。

表1 作用于3.0 MW風(fēng)機(jī)塔筒底部的荷載及風(fēng)機(jī)

圖3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸圖 單位：mm

結(jié)合本風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)資料，根據(jù)廠家提供的3.0 MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組荷載資料、錨籠環(huán)資料，以及工程地質(zhì)資料，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在滿足結(jié)構(gòu)和構(gòu)造要求條件下，確定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)體型為高3.96 m的鋼筋混凝土淺埋式基礎(chǔ)。基礎(chǔ)底部為直徑20.8 m、高1.0 m的圓柱；中間為底面直徑20.8 m、頂面直徑6.4 m、高1.7 m的圓臺(tái)；上部為直徑6.0 m、高1.26 m的臺(tái)柱，基礎(chǔ)采用C40混凝土，高強(qiáng)灌漿抗壓強(qiáng)度為60 MPa,具體基礎(chǔ)尺寸見圖3。

筒下部T形法蘭外直徑D1=4 638 mm，內(nèi)直徑D2=3 842 mm，t1=120 mm；高強(qiáng)灌漿外直徑D3=4 838 mm，內(nèi)直徑D4=3 642 mm，厚度t2=90 mm；錨栓數(shù)目n=188，預(yù)拉力值Pa=680 kN，錨栓直徑d1=48 mm，錨栓孔直徑d2=51 mm，外圈螺栓分布半徑r1=2 215 mm，內(nèi)圈螺栓分布半徑r2=2 025 mm；塔下錨板外直徑D5=4 650 mm，內(nèi)直徑D6=3 850 mm，厚度t3=60 mm。

本工程風(fēng)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)在極端荷載工況下，各部位的局部承壓計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承壓計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表2可知：① 風(fēng)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)內(nèi)高強(qiáng)灌漿和高強(qiáng)灌漿下主體混凝土在極端荷載工況下出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，下錨板上部主體混凝土在施加預(yù)拉力后出現(xiàn)了最大壓應(yīng)力。② 在極端荷載工況下，高強(qiáng)灌漿和高強(qiáng)灌漿下主體混凝土的最小壓應(yīng)力均大于0，說明T形法蘭與高強(qiáng)灌漿接觸面、高強(qiáng)灌漿與主體混凝土接觸面均處于純壓狀態(tài)，接觸面未脫開。說明本工程所施加的預(yù)拉應(yīng)力大小合理且經(jīng)濟(jì)。③ 通過對(duì)高強(qiáng)灌漿、高強(qiáng)灌漿下主體混凝土、下錨板上部主體混凝土的局部壓應(yīng)力、局部受壓截面尺寸和局部受壓承載力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果表明，這幾個(gè)部位的局部壓應(yīng)力、局部受壓截面尺寸和局部受壓承載力驗(yàn)算均能滿足文獻(xiàn)[4]要求。

2 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)需對(duì)高強(qiáng)灌漿、高強(qiáng)灌漿下主體混凝土和下錨板上部主體混凝土進(jìn)行承壓分析。本文提供了一種風(fēng)電機(jī)組預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)壓應(yīng)力計(jì)算、局部受壓截面尺寸和局部受壓承載力的驗(yàn)算方法，并結(jié)合實(shí)例加以說明，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

[1] 馬人樂,孫永良,黃冬平.風(fēng)力發(fā)電塔井格梁板式預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究[C]//第18屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集第Ⅲ冊(cè),2009.

[2] FD003-2007,風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2007.

[3] GB50135-2006,高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2006.

[4] GB50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)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

劉嬪(1986-)，女，陜西省渭南市人，助理工程師，主要從事風(fēng)電土建設(shè)計(jì)工作.

TM614;TU476+.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.025