风力发电机组基础设计方法

1、第2 5 卷第2 期 2 0 1 0 年4 月 电力学报 J o U R N A L0 FE L E C T R l ( P ( ) W E R V 0 1 2 5N o 2 A p r 2 0 1 0 文章编号：l 0 0 5 6 5 4 8 ( 2 0 l o ) 0 2 一0 1 7 7 一0 4 风力发电机组基础设计方法 任忠运，贾丹 ( 山西省电力勘测设计院，太原0 3 0 0 0 1 ) 摘要：随着国家对节能环保、控制碳排放的日益重视，现在风力发电逐渐成为国家电力建设 的热点。在风力发电的设计工作中，机组基础设计是重点和难点。结合已完成的几个项目，从风机 基础荷栽的确定、基础埋深和

2、尺寸的确定到如何采用有限元计算软件M i d a s 模拟计算基础内力等 方面简要叙述了风力发电机组基础的设计方法。 关键词：风力发电机组；基础设计；有限元；M i d a s 中图分类号：T U 4 7 0文献标识码：A 风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新 能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发 展前景的发电方式之一。我国已充分认识到风电在 调整能源结构、节能减排、缓解环境污染等方面的重 要性，对风电的开发给予了高度重视。现在，我国正 处于风力发电蓬勃发展的时期，风力发电项目也从 无到有，到现在已经积累了很多。 在风力发电项目中，风力发电机组基础是土建 设计上的新课题，也是难点，

3、目前已完成不少项目的 风力发电机组基础设计工作。在风机基础设计上也 有了成熟、可靠的设计方法，积累了自己的经验。 下面结合风力发电机组基础设计经验，写出风 机基础设计方法，和设计过程中需要着重注意的问 题。以此方法可以准确、快速的完成风机基础设计 工作。 1确定荷载 风力发电机组基础设计荷载由风机厂家提供， 从风电机组地基基础设计规定中可知，风机基 础设计需进行计算：风机正常工况荷载；极限运 行工况荷载；疲劳荷载。所以风机厂家提供的荷 载工况应该包括此三组荷载。 需注意的是风机厂家提供的荷载需乘以荷载修 正安全系数，此系数风机厂家荷载资料可能单独给 出，但根据文献 1 5 o 7 条中此系数可

4、取为1 3 5 ， 所以一般按1 3 5 考虑。此修正安全系数的实际意义 为，风机模拟计算时可能不准，另外风荷载的随机性 很大、不易模拟，所以需乘以一个荷载放大系数。 以上三组荷载乘以荷载修正安全系数作为土建 计算各荷载工况的荷载标准值。 2 初步确定风机基础埋深和基础尺寸 2 1 确定基础埋深 根据勘测报告各土层的承载力选择适宜的持力 层，风机基础埋深一般为3m 左右，如果基底不到 持力层标高，可以用碎石或者毛石混凝土垫层处理； 如果持力层很深或者土层承载力比较低，可以考虑 用桩基础处理。风机基础外形如图1 所示。 圈1 风机基础外形图 2 2 确定风机基础直径和基础高度 2 2 1 确定基

5、础高度 根据文献 1 9 5 1 条H 。高度不应小于1 o m ，所以天然地基基础一般H ，为1m ，H 。为1m 左 右。桩基基础承台H 。一般取值 1m ，H 。+ H z 可 取为2m 左右。 2 2 2 确定基础宽度 风机基础宽度一般控制在风机轮毂高度的1 5 1 3 。对于7 0m 轮毂高度15 0 0k w 的风机，若 是天然地基可取为1 6m ，若是桩基础可取为1 5m 。 收稿日期：2 0 1 0 0 1 一1 2 作者简介：任忠运( 1 9 5 7 一) ，男，国家一级注册结构工程师，长期从事电厂土建结构设计工作。( E - m a i l ) r z y l 5 3 0

6、s x e d c o m c n 万方数据 1 7 8 电力学报第2 5 卷 3 计算基底脱开面积和基底最大压力，确认 风机基础尺寸 根据文献 1 8 1 4 条可知：正常运行工况和多 遇地震工况基底不允许出现脱开面积；极端荷载工 况基底脱开面积最大为2 5 。 根据风机厂家荷载取出正常工况和极端工况荷 载标准值计算基底脱开面积。 由风机厂家资料分别取出各荷载工况的N 。、 M K ，、V 。，计算基础尺寸。计算风机基础体积V 砼， 再计算覆土体积V 土。求出基础和覆土总重G K ，一 G 砼+ G 七一2 5 V 砼+ 1 8 V 土，G K N K l + G K l ，M K = 靠l

7、 + V 。H ，H 需见风机厂家资料计算。 分别得到正常运行工况和极端运行工况下的 N K 、M K 、V K 值。 ( 1 ) 计算正常运行工况下的基底压力。 判断地基承载力是否满足要求，依照以下公式 判别： 户k ， 户h 。1 2 ， 户k 。i 。O 若都满足说明估算基础尺寸在正常运行工况满 足要求，否则根据需要调整基础尺寸重新计算。 ( 2 ) 计算极端运行工况下的基底压力和基础脱 开面积A 脱开。 此步计算夕h n t 。需 0 ，说明基础 没有脱开，基础尺寸偏大，考虑其经济性，要调小基 础尺寸。 基础出现零应力区后根据高耸结构设计规范 7 2 3 3 条，可求出基础脱开面积A

8、脱开和p k 眦。 判断地基承载力是否满足要求，依照以下公式 判别： p k ， 户h ，1 2 f a ， A 脱开O 2 5 A 满足以上要求说明基础尺寸可行，然后需进行 基础配筋计算。 4 基础内力配筋计算 基础配筋计算是整个风机基础设计的难点，需 用有限元软件分析基础内力，然后由求得的内力计 算配筋，可以选用M i d a s 有限元分析软件进行建模 计算。 4 1 建模 由于有限元软件建模计算比较复杂，现简要叙 述计算过程。 定义如材料、容重等参数后，把风机基础用块单 元分割建模，分割原则是尽量使每个块单元长、宽、 高尺寸相近，这样才能计算准确。一般可以分割成 4 0 0m m 左右

9、的块，如图2 所示。 图2 有限元模型 需注意的是，由于风机基础基底是可以脱开的， 所以基础底面的连接方式要选为只能受压的面弹性 支撑。为了限制模型水平位移，还需在基础外侧设 置一个限制水平位移的节点支撑。 4 2 输入荷载 由于风机基础受力是通过预埋的一个法兰环传 递的，所以荷载模拟计算时也要把各种力按实际受 力情况输在一个圆的平面上，不可简单输在节点上， 这样计算比较准确。一般可选圆上的1 0 2 0 个节 点来模拟。 弯矩可等效为节点上一边受压，一边受拉的轴 力来模拟。每个节点上的轴力可按下列公式计算。 F 。= 2 M R 。 ：R 2 一N 咒 风机塔架荷载模型见图3 。 图3 有限

10、元模型塔筒荷载 根据基础埋深计算风机基础台面上的覆土压 力，由于风机台面是斜面，所以要把压力荷载输入成 梯形的面荷载，见图4 。 下面介绍模型计算需要有多少种荷载工况和不 同工况荷载的取值方式。 由荷载规范可知需要计算的荷载组为： ( 1 ) 正常荷载工况的荷载标准组合； ( 2 ) 极端荷载工况下的荷载标准组合； 万方数据 第2 期任忠运等：风力发电机组基础设计方法 1 7 9 图4 有限兀模型覆土衙载 ( 3 ) 正常荷载工况下的荷载设计组合； ( 4 ) 极端荷载工况下的荷载设计组合。 风机厂家提供的为荷载标准值，还需乘以相应 的分项系数求得荷载设计值。根据文献 1 7 3 2 条可知，

11、弯矩和剪力的荷载分项系数为1 5 ，轴力的 分项系数在对结构有利时为1 O ，对结构不利时为 1 2 。 荷载设计值主要是为了计算配筋，而极端荷载 要比正常荷载大很多，所以正常荷载工况下的荷载 设计值就没必要计算了。 可见需要模型输入的荷载值分别为： ( 1 ) 正常荷载工况的荷载标准值； ( 2 ) 极端荷载工况下的荷载标准值； ( 3 ) 极端荷载工况下的荷载设计值，弯矩和剪力 的荷载分项系数为1 5 ，轴力的分项系数为1 O ； ( 4 ) 极端荷载工况下的荷载设计值，弯矩和剪力 的荷载分项系数为1 5 ，轴力的分项系数为1 2 。 建模和输入荷载完成后就可以用M i d a s 计算

12、出结果。 4 3 计算结果分析 由于前面已经手算了基底压力情况，可以从 M i d a s 模型计算结果上来验证计算的正确性。 在确定风机基础尺寸计算时，正常荷载工况基 础底面没有脱开面积，M i d a s 分析结果如图5 。可 见模型计算也没有零应力区。 图5 正常荷载工况基底反力 在确定风机基础尺寸计算时，极端荷载工况基 础底面有脱开面积，M i d a s 分析结果如图6 。可见 模型计算上的零应力区，所以建模计算是正确、合 理的。 图6 极端荷载工况基底反力 然后分析基础内力。从各个不同方向分别取出 截面最大内力，包括径向弯矩和环向弯矩，截取界面 见图7 。 图7内力截取界面 汇总出

13、各代表截面最大弯矩，然后用基础规范 公式求出各截面配筋。实际配筋时需注意的是，径 向钢筋悬挑根部间距应5 0m m ，悬挑外缘间距应 3 0 0m m ；环向配筋可采用2 3 种钢筋直径等间 距布置，间距不可 2 5 0m m 。 5 地震计算分析 用木联能风机基础设计软件可以快速计算出风 力发电机组塔架的地震力。按照7 0m 轮毂高度的 15 0 0k W 机组，考虑7 度、8 度、9 度，分别计算三种 烈度下的地震力，结果见表1 。 表1 地震力 地震烈度弯矩( k N m )轴力k N剪力k N 72 77 2 619 3 54 6 2 83 48 9 318 1 75 9 4 94 9

14、2 2 7 16 2 3 8 5 8 该型号风机对应于五十年一遇平均风速为 3 7 5m s 时的极端运行工况荷载标准值见表2 。 表2 极端工况荷载 型风机P 豢# 斗糍糌3 43 0 8l9 5 85 8 6 由此可见风机地震力在地震烈度为8 度时和风 机极端运行工况荷载相近，所以在地震烈度为8 度 万方数据 1 8 0电力学报第2 5 卷 以下地区设计风机基础时地震力不起控制作用。 6 结论 根据多个工程的设计经验，风机基础环向配筋 按构造已经满足受力要求，径向上部钢筋一般为构 造设置，径向下部钢筋为计算配筋。 根据可靠度设计的一般原则，对于偶然设计状 况，一般只记一种偶然荷载作用。因此

15、，在风电机组 结构和基础设计时，不考虑极端风速工况与地震作 用的叠加。 文献 1 5 o 7 条中规定，荷载要乘以1 3 5 的 荷载修正系数作为基础设计标准值。但是从风机受 力分析来看，轴力对风机基础是有利作用，所以把所 有荷载都乘以此修正系数可能偏于不安全。因此建 议风力发电机组基础设计时应该把弯矩和剪力乘以 1 3 5 的荷载修正系数，轴力不用乘此荷载修正 系数。 参考文献： 1 F D0 0 3 2 0 0 7 ，风电机组地基基础设计规定 S 北京：中国水利水电出版社。2 0 0 7 2 F D0 0 3 2 0 0 7 ，风电场工程等级划分及设计安全标准 S 北京：中国水利水电出版社

16、，2 0 0 7 3 王民浩，陈观福我国风力发电机组地基基础设计 R 海南：中国水利水电规范设计院，2 0 0 8 4 陈观福地震作用对风力发电机组塔架地基基础设计的影响分析 R 海南：中国水利水电规范设计院，2 0 08 5 G B5 0 0 1 1 2 0 0 1 ，建筑抗震设计规范 s 北京：中国建设工业出版社，2 0 0 8 6 G B5 0 0 0 7 2 0 0 2 ，建筑地基基础设计规范 s 北京：中国建筑业出版社，2 0 0 2 7 G B5 0 1 3 5 2 0 0 6 ，高耸结构设计规范 s 北京：中国计划出版社，2 0 0 7 8 G B5 0 0 5 1 2 0 0

17、2 ，烟囱设计规范 s 北京：中国计划出版社，2 0 0 3 9 刘蔚，申宽育甘肃酒泉千万千瓦级风电基底2 0 个风电场可行性研究设计阶段风机基础设计研究 R 海南：中国水利水电 规划设计院，2 0 0 8 1 0 G B5 0 0 0 9 2 0 0 l ，建筑结构荷载规范 S 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 2 D e s i g n i n go fF o u n d a t i o nf o rW i n dT u r b i n eG e n e r a t o rS y s t e m R E NZ h o n 争y u n ，J I AD a n ( S h a n x i

18、E l e c t r i cP o w e rD e s i g h 陈观福 我国风力发电机组地基基础设计 2008 4.陈观福 地震作用对风力发电机组塔架地基基础设计的影响分析 2008 5.GB 50011-2001.建筑抗震设计规范 2008 6.GB 50007-2002.建筑地基基础设计规范 2002 7.GB 50135-2006.高耸结构设计规范 2007 8.GB 50051-2002.烟囱设计规范 2003 9.刘蔚;申宽育 甘肃酒泉千万千瓦级风电基底20个风电场可行性研究设计阶段风机基础设计研究 2008 10.GB 50009-2001.建筑结构荷载规范 2002 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条) 1. 田静.许新勇.刘宪亮.TIAN Jing.XU X