李建偉

（1.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆新能源研究院，新疆 烏魯木齊830052）

1 工程概況

新疆風能資源豐富，其中達坂城地區(qū)是目前新疆九大風區(qū)中開發(fā)建設條件最好的地區(qū)。目前，這里的總裝機容量為1800兆瓦。雖然達坂城區(qū)在1988年就建成了全國首個風力發(fā)電場，但此后風電行業(yè)處于停滯狀態(tài)，在2010年末，風電并網裝機容量僅為440兆瓦，“十二五”期間，尤其2012-2014連續(xù)三年，該區(qū)風電裝機容量每年增長都在240兆瓦以上。因此新型的預應力錨栓基礎耐久性和安全性有很大的考究。尤其梁板式預應力錨栓基礎在全國地區(qū)使用較少，本文通過對達坂城地區(qū)鹽湖風電場使用的預應力錨栓基礎進行內力分析。為梁板式預應力錨栓風機基礎的設計提供建議。

1.1 地基承載力驗算

根據《風電機組地基基礎設計規(guī)定（FD 003-2007）》規(guī)定，地基承載力驗算采用極端荷載修正標準值計算。使用《高聳結構設計規(guī)范（GB5 0135-2006）》計算本工程環(huán)形基礎偏心荷載下的地基承載能力驗算。查《高聳結構設計規(guī)范（GB 50135-2006）》附錄C通過內插法得：τ=1.451，ξ=0.855

基礎脫開面積為29 m2，脫開面積約為基底總面積的16%，約為基底與混凝土基層接觸面積的21%，小于基底面積的25%，滿足《風電機組地基基礎設計規(guī)定（FD 003-2007）》要求。

基礎穩(wěn)定性驗算主要包括抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性計算，根據《風電機組地基基礎設計規(guī)定（FD 003-2007）》規(guī)定，抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性計算時應采用極端荷載修正標準值，修正系數k0=1.35。

1.2 基礎穩(wěn)定性驗算

抗滑穩(wěn)定性計算：極端荷載作用下的滑移力修正標準值FS=748.71kN，基底為卵石，能夠提供遠大于FS的抗滑力FR，基礎滿足抗滑穩(wěn)定性要求。

抗傾覆穩(wěn)定性計算：基礎脫開面積為29 m2，脫開面積約為基底總面積的16%，小于基底面積的25%，抗傾力矩MR=108690.08 kN·m，傾覆力矩修正值MS=54697.36 kN·m，MR/MS=1.99＞1.6，基礎抗傾覆滿足要求，不會發(fā)生傾覆。

1.3 配筋及抗沖剪驗算

確定配筋計算基礎內力（抗剪切、抗沖切）應采用極端荷載工況設計值進行計算。計算基底反力作用的結果如下：

查《高聳結構設計規(guī)范（GB50135-2006）》附錄C通過內插法得：τ=1.451，ξ=0.855

1.4 地基變形及裂縫驗算

根據FD003-2007《風電機組地基基礎設計規(guī)定》第7.2.5條規(guī)定，驗算地基變形、基礎裂縫寬度時采用荷載標準值進行計算。極端荷載、正常運行工況下荷載標準值計算基底反力作用的結果如下：

極端荷載標準值：

查《高聳結構設計規(guī)范（GB50135-2006）》附錄C可得：τ=1.870，ξ=1.124。

正常運行荷載標準值：

自重荷載作用：

自重設計值產生壓力：P2=1.2［γ（d-hb）+G砼/A］=102.44 kPa

自重標準值產生壓力：P2，k=1.2［γ（d-hb）+G砼/A］=85.37 kPa

2 預應力錨栓基礎有限元分析

2.1 有限單元法及軟件

彈性條件下，有限單元法求解步驟如下：

（1）有限元分析首先對結構進行離散；

（2）采用以下兩式形成單元剛度矩陣和單元等效節(jié)點載荷列陣；

（3）集成結構的剛度矩陣和等效節(jié)點載荷列陣；

（4）引入邊界條件；

（5）求解有限元方程，得到節(jié)點位移；

（6）計算單元應變和應力；

（7）進行必要的后處理。

ANSYS作為一個大型通用有限元分析軟件，在世界范圍內，已經成為土木建筑行業(yè)主流仿真分析軟件。本次計算采用ANSYS軟件對風機基礎結構進行有限單元法分析計算。

2.2 模型概化及邊界條件

本項目的主要目的是對梁板式預應力錨栓基礎結構進行計算，分析基礎結構內力，判斷結構安全性。根據風電場地質、水文等自然條件及梁板基礎的特點，確定了計算模型及其邊界條件。

按設計圖紙尺寸建立預應力錨栓基礎結構模型。

由于計算模型的對稱性，實際計算分析時采用1/2模型。最下層土體底面施加固定約束，土柱體側面施加徑向及法向約束，對稱面上施加對稱約束。

為了提高計算精度，模型主要采用六面體單元進行網格剖分，部分不規(guī)則區(qū)域采用了四面體單元網格。模型共計54529個單元，59592個節(jié)點。

2.3 設計采用的極端工況

（1）地基土體沉降及受力分析。①在設計采用極端荷載工況荷載作用下，地基產生較大的不均勻沉降。在計算分析地質條件及參數下，基礎附近地基最大沉降約為9 mm，發(fā)生于背風側基礎與地基接觸區(qū)域；迎風側與地基接觸下部的土體沉降量約為1 mm；不均勻沉降值約為8 mm。②在計算分析采用的地質條件及參數下，只有表層地基土體發(fā)生了塑性變形，且塑性應變值不大，最大值約為0.6%。③基礎底部設置聚苯乙烯板區(qū)域表面土體豎向應力接近于零；最大豎向壓應力發(fā)生在背風側混凝土墊層外圍附近下部土體中，應力較為集中，最大值約為289 kPa，小于②層土體的承載力修正特征值（478.5 kPa），滿足要求。

（2）基礎變形及受力分析。①基礎底部最大豎向位移發(fā)生在背風側底板處，其值約為9 mm；基礎底部迎風側外緣處產生了向上的位移，其值約為2 mm；不均勻沉降約為11mm。②背風側JL1梁與JL2梁連接處壓應力較大，最大值約為19.1 MPa，于C40混凝土抗壓強度設計值，該部分混凝土處于臨界破壞狀態(tài)；背風側混凝土中心筒頂部與塔筒連接位置壓應力最大，最大值約為19.7 MPa，大于C40混凝土抗壓強度設計值19.1 MPa，該部分混凝土可能出現破壞。③基礎拉應力大于混凝土抗拉強度設計值的區(qū)域較大，且較為密集，尤其是底板，實際工程中應考慮對這些區(qū)域進行加強。經分析，這些單元主要位于：混凝土中心筒與底板的連接部位及附近外圍區(qū)域、背風側底板與JL1梁連接部位、背風側JL1梁之間底板、背風側JL2梁、迎風側JL1梁底部、迎風側風機塔筒與基礎頂部連接部位。④在設計采用的極限狀態(tài)工況荷載作用下，迎風側部分基底與地基存在脫開現象，脫開面積約為31.2 m2（約占基底與混凝土墊層接觸面積的20%，約占基底總面積16.3%）。

（3）塔筒底部水平度偏差分析。塔筒底部沉降最大值約為8 mm，最小值約為2 mm，不均勻沉降值約為6 mm。通常情況下，風機塔筒水平度偏差限值約為0.2～0.3%，滿足要求。

各工況有限元分析結果見表1：

表1 各工況有限元分析結果表

根據有限元分析結果，有以下結論：

（1）正常運行荷載工況下：地基沉降值及不均勻沉降值較小，地基土體壓應力小于基底土體承載力修正特征值，地基安全性較高，不會發(fā)生破壞；基礎拉應力大于混凝土抗拉強度的區(qū)域面積不大，可能拉裂區(qū)域較??；基礎最大壓應力小于C40混凝土抗壓強度設計值，混凝土不會被壓壞；基底不存在脫開現象，基礎穩(wěn)定性較好，不會發(fā)生傾覆破壞；風機塔筒水平度偏差小于限值，滿足風機結構傾斜度要求。

（2）極端荷載工況下：地基沉降值及不均勻沉降值不大，地基土體豎向壓應力小于基底土體承載力修正特征值，地基較安全，不會發(fā)生破壞；基礎拉應力大于混凝土抗拉強度的區(qū)域面積較大、較為密集，主要位于混凝土中心筒與底板的連接部位、背風側底板下部與JL1梁連接部位、背風側JL2梁、迎風側JL梁底部和頂部、迎風側風機塔筒與基礎頂部連接部位，基礎可能拉裂破壞的區(qū)域較大；迎風側部分基底與地基脫開，脫開面積約為42 m2；風機塔筒水平度偏差小于限值，滿足風機結構傾斜度要求。

（3）設計采用的極端荷載工況下：地基沉降值及不均勻沉降值較大，地基土體豎向壓應力小于基底土體承載力修正特征值，地基較為安全，不會發(fā)生破壞；基礎拉應力大于混凝土抗拉強度的區(qū)域面積較大、較為密集，主要區(qū)域與極端荷載工況下的分布基本一致，基礎結構可能拉裂破壞的區(qū)域較大；背風側JL1梁與JL2梁連接處、背風側混凝土中心筒頂部與塔筒連接處壓應力較大，等于或稍大于C40混凝土抗壓強度設計值，該部分混凝土可能發(fā)生破壞；迎風側部分基底與地基脫開，脫開面積約為31.2 m2；風機塔筒水平度偏差小于限值，滿足風機結構傾斜度要求。

3 結 語

（1）梁板式預應力錨栓基礎是一種新型的風機基礎結構型式，采用梁板式結構、預應力錨栓，并在基礎底板中心設置圓形聚苯乙烯板，較傳統板式獨立擴展基礎混凝土受拉區(qū)域有所減少、優(yōu)化了基礎底板與基礎接觸面受力情況、節(jié)省了混凝土和鋼筋用量，應用前景廣闊，是一種值得推廣的風機基礎型式。

（2）經復核，本工程梁板式預應力錨栓基礎地基承載力、底板抗沖切強度、底板抗剪切強度、基礎變形及基礎穩(wěn)定性等均滿足規(guī)范要求。正常運行工況下，基礎底板、JL1、JL2梁裂縫寬度較小，滿足要求；極端荷載工況下，基礎底板、JL2梁的裂縫均滿足要求，JL1梁頂和梁底的裂縫寬度較大，接近或稍大于規(guī)定值。

（3）根據有限元分析結果，正常運行荷載工況下，風機基礎結構強度、地基承載力、穩(wěn)定性和變形等均滿足規(guī)范要求。極端荷載工況下，基礎底板、JL1、JL2梁存在較多的超過混凝土設計抗拉強度區(qū)，混凝土開裂范圍較大，開裂區(qū)域鋼筋承受主要的拉應力；基底與地基存在一定的脫開面積。