程新波
(武漢聯(lián)動設(shè)計股份有限公司,湖北 武漢 430070)
中國已成為全球風(fēng)電行業(yè)的領(lǐng)頭羊。2009年中國風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)1380萬kW,位居世界第一。而2010年,全球每三臺新安裝的風(fēng)電機(jī)組,就有一臺在中國。中國的風(fēng)能潛力巨大,到2020年的風(fēng)電累計裝機(jī)可以達(dá)到2.3億kW,相當(dāng)于13個三峽電站;總發(fā)電量可以達(dá)到4649億kW·h,可取代200個火電廠。屆時,風(fēng)電將成為中國主要能源來源之一,總裝機(jī)容量占全國電力裝機(jī)容量的15%左右,每年可減少4.1億t二氧化碳排放,或者少消耗近1.5億t的標(biāo)準(zhǔn)煤。
我國政府對經(jīng)濟(jì)社會全局和長遠(yuǎn)發(fā)展做出重大部署,制定了 《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,以加速我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長。同時確定,2015年風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到1億kW,2020年超過2億kW。今年年初,國家能源局發(fā)布的核準(zhǔn)和擬核準(zhǔn)項(xiàng)目總?cè)萘砍^了4800萬kW,現(xiàn)有的規(guī)劃在理論上足以支持未來3年年均1600萬kW的新增裝機(jī)容量。
在如此巨大的國家宏觀調(diào)控力度下,風(fēng)電場建設(shè)如火如荼,遍地開花,風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的建設(shè)量也相當(dāng)龐大。但因?yàn)槟壳爸袊L(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計研究的理論還不是很成熟,多數(shù)是借鑒的國外相關(guān)技術(shù),故在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計方面還有很多需要研究和完善的地方。
以下就風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計的相關(guān)理論及技術(shù)作一些分析與總結(jié),僅供參考。
1 當(dāng)前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計的理論
由于風(fēng)機(jī)塔筒的高度相對比較高,一般在80m左右,葉輪半徑約40m,上部結(jié)構(gòu)約250t,風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計的理論模型為一個自重較大的高聳結(jié)構(gòu)??箖A覆設(shè)計為其設(shè)計的主要考慮因素。目前比較可靠的基礎(chǔ)理論為通過設(shè)備及基礎(chǔ)的自重對傾覆點(diǎn)產(chǎn)生的抗傾覆力矩來抵抗由風(fēng)機(jī)工作及地震等產(chǎn)生的傾覆力矩。設(shè)計考慮的是偏心距/基礎(chǔ)底板半徑,在正常工況時不大于0.25,極端工況與地震時不大于0.43。在這一基本理論的前提下北京木聯(lián)能工程科技有限公司開發(fā)了相應(yīng)的風(fēng)電工程軟件-機(jī)組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計軟件(WTF)(v4.4.1),目前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計也主要是依靠的此理論。
2 目前國內(nèi)使用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定(試行)》FD003-2007;《風(fēng)電場工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》FD002-2007;《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008;《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010;《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2011;《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010;《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》GB/T50476-2008。
3 借鑒的國外標(biāo)準(zhǔn):(主要是德國的DIN)
《DIN1045》德國標(biāo)準(zhǔn)。
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計主要考慮的是抗傾覆和基礎(chǔ)本身的整體性,在設(shè)計時主要從以下幾個方面來控制:
1 抗傾覆控制,偏心距的控制是比較重要的,這一可以保證安全系數(shù)不小于1.2;
2 基礎(chǔ)本身的抗裂、抗沖切、抗剪、抗疲勞設(shè)計控制;
3 基礎(chǔ)的整體性和與上部結(jié)構(gòu)塔筒的連接設(shè)計控制。
1 項(xiàng)目簡介
新疆某風(fēng)電場,單機(jī)裝機(jī)容量2MW。風(fēng)機(jī)輪轂高度70m,葉片直徑87m。風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計級別為1級,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級為二級,風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計使用年限為50年,基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土擴(kuò)展圓形基礎(chǔ)。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)抗震設(shè)防分類為丙類。
2 設(shè)計過程
本項(xiàng)目最大工況的傾覆力矩為37707.057kN·m。
設(shè)計計算程序?yàn)镃FD風(fēng)電工程軟件-機(jī)組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計軟件(WTF)(v4.4.1)(北京木聯(lián)能工程科技有限公司)。
本工程采用軟件設(shè)計時,需要不斷的調(diào)整基礎(chǔ)底板直徑及基礎(chǔ)高度來試算,在滿足抗傾覆安全的前提下,盡量縮減混凝土和鋼筋用量。
經(jīng)過不斷調(diào)整與試算,得出較為經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)尺寸。
基礎(chǔ)尺寸為:
基礎(chǔ)底板半徑R =9.55m
基礎(chǔ)棱臺頂面半徑R1 =3.5m
基礎(chǔ)臺柱半徑R2 =3.5m
塔筒直徑B3 =4.2m
基礎(chǔ)底板外緣高度H1 =1m
基礎(chǔ)底板棱臺高度H2 =1.5m
臺柱高度H3 =0.9m
上部荷載作用力標(biāo)高Hb =0.615m
基礎(chǔ)埋深Hd =3.3m
荷載分項(xiàng)系數(shù):
永久荷載分項(xiàng)系數(shù)(不利/有利):1.2/1
可變荷載分項(xiàng)系數(shù)(不利/有利):1.5/0
疲勞荷載分項(xiàng)系數(shù):1
偶然荷載分項(xiàng)系數(shù):1
結(jié)構(gòu)重要性系數(shù):1.1
荷載修正安全系數(shù):1.35
方量計算:
基礎(chǔ)混凝土體積V12:536.164m3
基礎(chǔ)覆土體積V22:413.204m3
經(jīng)過基礎(chǔ)本身的抗裂、抗沖切、抗剪、抗疲勞設(shè)計控制,以及基礎(chǔ)的整體性和與上部結(jié)構(gòu)塔筒的連接設(shè)計。
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)涉及整個風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定,一旦設(shè)計出現(xiàn)偏差,風(fēng)機(jī)將會產(chǎn)生傾覆的危險。不僅產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)影響(一個風(fēng)機(jī)含直接安裝設(shè)備的造價都在500萬左右),也可能產(chǎn)生生命安全事故。我們在進(jìn)行設(shè)計的時候,紀(jì)要考慮其經(jīng)濟(jì)性,又要考慮其安全性。
[1]GB50011-2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].
[2]GB50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].
[3]FD003-2007,風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定(試行)[S].
[4]FD002-2007,風(fēng)電場工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)[S].
[5]GB50223-2008,建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].
[6]GB50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].