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        論風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及安全控制原則

        2015-12-26 15:09:37程新波
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)規(guī)范風(fēng)電抗震

        程新波

        (武漢聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)股份有限公司,湖北 武漢 430070)

        中國(guó)已成為全球風(fēng)電行業(yè)的領(lǐng)頭羊。2009年中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)1380萬(wàn)kW,位居世界第一。而2010年,全球每三臺(tái)新安裝的風(fēng)電機(jī)組,就有一臺(tái)在中國(guó)。中國(guó)的風(fēng)能潛力巨大,到2020年的風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)可以達(dá)到2.3億kW,相當(dāng)于13個(gè)三峽電站;總發(fā)電量可以達(dá)到4649億kW·h,可取代200個(gè)火電廠。屆時(shí),風(fēng)電將成為中國(guó)主要能源來(lái)源之一,總裝機(jī)容量占全國(guó)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(guó)政府對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展做出重大部署,制定了 《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,以加速我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)。同時(shí)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(guò)2億kW。今年年初,國(guó)家能源局發(fā)布的核準(zhǔn)和擬核準(zhǔn)項(xiàng)目總?cè)萘砍^(guò)了4800萬(wàn)kW,現(xiàn)有的規(guī)劃在理論上足以支持未來(lái)3年年均1600萬(wàn)kW的新增裝機(jī)容量。

        在如此巨大的國(guó)家宏觀調(diào)控力度下,風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)如火如荼,遍地開(kāi)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?guó)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究的理論還不是很成熟,多數(shù)是借鑒的國(guó)外相關(guān)技術(shù),故在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jì)的相關(guān)理論及技術(shù)作一些分析與總結(jié),僅供參考。

        一、當(dāng)前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論及相關(guān)規(guī)范(國(guó)外、國(guó)內(nèi))

        1 當(dāng)前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論

        由于風(fēng)機(jī)塔筒的高度相對(duì)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(jì)的理論模型為一個(gè)自重較大的高聳結(jié)構(gòu)??箖A覆設(shè)計(jì)為其設(shè)計(jì)的主要考慮因素。目前比較可靠的基礎(chǔ)理論為通過(guò)設(shè)備及基礎(chǔ)的自重對(duì)傾覆點(diǎn)產(chǎn)生的抗傾覆力矩來(lái)抵抗由風(fēng)機(jī)工作及地震等產(chǎn)生的傾覆力矩。設(shè)計(jì)考慮的是偏心距/基礎(chǔ)底板半徑,在正常工況時(shí)不大于0.25,極端工況與地震時(shí)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(kāi)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(jì)軟件(WTF)(v4.4.1),目前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也主要是依靠的此理論。

        2 目前國(guó)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(jì)規(guī)定(試行)》FD003-2007;《風(fēng)電場(chǎng)工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》GB50011-2010;《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011;《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010;《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50476-2008。

        3 借鑒的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn):(主要是德國(guó)的DIN)

        《DIN1045》德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。

        二、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)安全控制的要點(diǎn)

        風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要考慮的是抗傾覆和基礎(chǔ)本身的整體性,在設(shè)計(jì)時(shí)主要從以下幾個(gè)方面來(lái)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(jì)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(jì)控制。

        三、設(shè)計(jì)案例

        1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

        新疆某風(fēng)電場(chǎng),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(jì)級(jí)別為1級(jí),基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程

        本項(xiàng)目最大工況的傾覆力矩為37707.057kN·m。

        設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)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(jì)時(shí),需要不斷的調(diào)整基礎(chǔ)底板直徑及基礎(chǔ)高度來(lái)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(guò)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(tái)頂面半徑R1 =3.5m

        基礎(chǔ)臺(tái)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(tái)高度H2 =1.5m

        臺(tái)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(jì)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(guò)基礎(chǔ)本身的抗裂、抗沖切、抗剪、抗疲勞設(shè)計(jì)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(jì)。

        結(jié)語(yǔ)

        風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)涉及整個(gè)風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定,一旦設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差,風(fēng)機(jī)將會(huì)產(chǎn)生傾覆的危險(xiǎn)。不僅產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)影響(一個(gè)風(fēng)機(jī)含直接安裝設(shè)備的造價(jià)都在500萬(wàn)左右),也可能產(chǎn)生生命安全事故。我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)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(jì)規(guī)范[S].

        [2]GB50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [3]FD003-2007,風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)[S].

        [4]FD002-2007,風(fēng)電場(chǎng)工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范[S].

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